فصل 1 &ndash مقدمه
یک موتورالکتریکی، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است توسط ژنراتور انجام می شود. این دو وسیله بجز در عملکرد، مشابه یکدیگر هستند .اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترو مغناطیس کار می کنند، اما موتورهایی که براساس پدیده های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک و اثر بیزوالکتریک کاری کنند هم وجود دارند.
ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی برآن ماده از سوی میدان اعمال می شود. دریک موتور استوانه ای، روتور به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله ای معین از محور روتور به روتور اعمال می شود می گردد.
اغلب موتورهای الکتریکی دوارند، اما موتور خطی مهم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک روتور و بخش ثابت استاتور خوانده می شود. موتور شامل آهنرباهای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است.
انواع موتورهای الکتریکی عبارتند از:
1 موتورهایDC
2 موتورهایAC
3 موتورهای پله ای
4 موتورهای خطی
موتورهای AC شامل موتورهای AC تک فاز و موتورهای AC سه فاز می شوند.
موتورهای AC تک فاز:
معمولترین موتور AC تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است که اغلب در دستگاه هایی به کار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند نظیر پنکه های برقی، اجاق های ماکروویو ودیگر لوازم خانگی کوچک، نوع دیگر موتور AC تک فاز موتورالقایی است که اغلب در لوازم بزرگ نظیر ماشین لباسشویی و خشک کن لباس به کار می رود.
موتورهای AC سه فاز:
برای کاربردهای نیازمند به توان های بالاتر ،از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان استفاده می کنند.اغلب روتور شامل تعدادی هادی های مسی است ، که در فولاد قرار داده شده اند. از طریق القای الکترو مغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادی هاالقای جریان می کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده وموجب می شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید. این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. ماشین های القائی سه فاز ، ماشین هایی با سرعت آسنکردن هستند که در حالت موتوری زیرسرعت سنکرون ودر حالت ژنراتوری بالای سرعت سنکرون کار می کنند. این ماشین ها که مستحکم بوده و به نگهداری کمی نیاز دارند در مقایسه با ماشین های سنکرون و DC در اندازه ای مشابه ، ارزان تر می باشند و در محدوده چند وات تا 1000HP ساخته شده و به کار گرفته می شوند. همچنین در مواردی نظیر قابلیت اطمینان بالاتر، وزن،حجم وانریسی کمتر، راندمان بیشتر، قابلیت عملکرد در محیط های باگرد و غبار و در محیط های قابل انفجار نسبت به موتورهای DC برتر هستند.
مشکل اصلی موتورهای dc وجود کموتاتور و جاروبک است، که نگهداری زیاد و پرهزینه و نامناسب بودن عملکرد موتور در محیط های باگرد وغبار بالا و قابل انفجار را بدنبال دارد با توجه به مزایای فوق در تمامی کاربردها موتورهای القایی بطور وسیع بر سایر موتورهای الکتریکی ترجیح داده می شوند با این حال تا چندی پیش از موتورهای القایی فقط در کاربردهای سرعت ثابت استفاده شده است و در کاربردهای سرعت متغیر موتورهای DC ترجیح داده شده اند این امر ناشی از آنست که روش های مرسوم در کنترل سرعت موتورهای القایی هم غیراقتصادی وهم دارای راندمان کم بوده است. اما با بهبود در قابلیت ها و کاهش در هزینه تریستورها و اخیراً در تراتریستورهای قدرت و GTO ها ( که در کنترل سرعت این موتورها استفاده می شوند) امکان ساخت محرکه های سرعت متغیر با استفاده از موتورهای القایی بوجود آمده است که در برخی موارد حتی از نظر هزینه و عملکرد با موتور dc نیز پیشی گرفته اند در واقع چرخ صنایع امروز را این ماشین ها می گردانند هرچند که سرعت آنها به آسانی سرعتDC قابل کنترل نبوده و جریان راه اندازی زیادی که تقریباً 6 تا 8 برابر جریان بار کامل آنهاست نیاز دارند. در ضمن این موتورها وقتی با بارکم کار می کنند ، ضریب قدرت پایین دارند.سرعت موتورAC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد ومقدار لغزش، یا اختلاف در سرعت چرخش بین روتور و میدان استاتور، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می کند تغییر سرعت دراین نوع از موتورها را می توان با داشتن دسته سیم پیچی ها یا قطب هایی در موتور که با روشن و خاموش کرد نشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر می کند ممکن ساخت. به هر حال با پیشرفت الکترونیک قدرت می توانیم با تغییردادن فرکانس منبع تغذیه ، کنترل یکنواخت تری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم . به طور کلی روشهای مرسوم کنترل سرعت موتور AC(القائی) به صورت زیر است:
1 کنترل با منبع ولتاژ متغیر فرکانس ثابت
2 کنترل با منبع ولتاژ فرکانس متغیر
3 کنترل مقاومت رتور
4 کنترل از روش تزریق ولتاژ در مدار رتور
در این جا ما فقط به کنترل سرعت موتور AC سه فاز(القایی) از طریق کنترل ولت بر هرتز (روش دوم) می پردازیم.
فصل 2 : مقدمه ای بر سیمولینک
21سیمولینک چیست؟
سیمولینک یکی از ابزارهای گسترش یافته Matlab است که امکان ایجاد سریع و دقیق مدل کامپیوتری سیستم های دینامیکی با استفاده از نماد نمودار بلوکی را برای مهندسان فراهم می کند. سیستم های غیرخطی پیچیده را می توان با سیمولینک به سادگی مدل نمود. مدل سیمولینک می تواند شامل اجزا پیوسته و گسسته باشد. به علاوه ، مدل سیمولینک قادر به ایجاد انیمیشن گرافیکی است که میزان پیشرفت شبیه سازی را به صورت بصری نمایش داده و فهم رفتار سیستم را به میزان چشمگیری بهبود می بخشد.
به طور خلاصه قدم هایی که برای استفاده از سیمولینک برداشته می شود شامل یافتن یک مدل یا نمایش ریاضی همراه پارامترهای سیستم مورد نظر، انتخاب روش مناسب انتگرال گیری و درآخر تبیین شرایط اجرای شبیه سازی نظیر شرایط اولیه و زمان اجرا می باشد مدل سازی در سیمولینک یا استفاده از رابطه های گرافیکی و کتابخانه الگوها یا بلوک های توابعی که عموماً در تشریح خصوصیات ریاضی سیستم های دینامیکی کاربرد دارند، تسهیل شده است.
22 ورود به سیمولینک
سیمولینک یک بسط نرم افزاری در محیط Matlab است و برای ورود به آن می باید ابتدا Matlab را اجرا کنید سپس از درون Matlab با کلیک آیکون سیمولینک در نوار ابزار Matlab همان طور که در شکل (21) نشان داده شده یا با وارد کردن فرمان simulink در اعلان Matlab سیمولینک را فراخوانی کنید در نتیجه صفحه ی simulink library Browser که شامل کتابخانه سیمولینک است باز می شود.
مجموعه متنوعی از الگوها یا بلوک های توابع، تحت کتابخانه های مختلف گردآوری شده است یک الگو را به طریق زیر می توان از کتابخانه کپی نموده و در صفحه ی مورد نظر قرار داد: الگوی مورد نظر را انتخاب نموده و سپس آن را به محل مطلوب در صفحه ی سیمولینک بکشید و یا روی الگو کلیک راست کنید و گزینهAdd to untitled را انتخاب کنید.
بسیاری از الگوها دارای مقادیر اولیه هستند که قبل از استفاده از آنها، می باید مقادیر اولیه را تعریف کنید.برای مشاهده یا تغییر این مقادیر باید روی الگوی مورد نظر دوبار کلیک نمود که در این صورت پنجره ی گفت وگویی باز خواهد شد که شامل مستطیل هایی است که برای وارد نمودن پارامترهاست. اطلاعات درخواستی می تواند به شکل متغیر حرفی یا عدد ثابت وارد شود متغیرهای حرفی را قبل از شروع شبیه سازی می توان در فضای Matlab تعریف کرد هنگامی که شبیه سازی چندین بار تکرار شود،برای مثال مطالعه ی حساسیت نسبت به پارامترها، استفاده از متغیرهای حرفی ارجح است.
پارامترها و مقادیر اولیه متغیرهای حرفی را می توان با تایپ کردن آنها در محیط Maltab وارد نمود این کار با سیستم نوشته شده ، امکان پذیر است. چنین m فایلی همچنین می تواند در صفحه ی سیمولینک و یا استفاده از بلوک الگو شده اجرا گردد. برای شبیه سازی گسترده ، بهره گیری ازm فایل ها توصیه می شود. ایجاد m فایل و اشکال زدایی از آن را می توان توسط ادیتور مربوط از toolbar در متلب انجام داد.
24 پیکربندی شبیه سازی:
مدل سیمولینک در اصل برنامه ای کامپیوتری است که مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل وتفاضلی را تعریف می کند.هنگامی که از نوار منوی پنجره ی مدل simulation: start را انتخاب می کنید (شروع شبیه سازی) سیمونیک آن مجموعه معادلات دیفرانسیل و تفاضلی را ، توسط یکی از حل کننده های معادله دیفرانسیل خود، به صورت عددی حل می کند. قبل از اجرای شبیه سازی می توانید پارامتری های شبیه سازی متنوعی نظیرشروع وپایان شبیه سازی، اندازه گام شبیه سازی وچند تلورانس مختلف را تنظیم کنید و از میان چندین الگوریتم انتگرال گیری کیفیت بالا یکی را برگزینید. همچنین می توانید سیمولینک را برای دریافت داده های شخصی از فضای کاری MATLAB و ارسال نتایج شبیه سازی به آن پیکربندی نمایید.
برای تنظیم پارامترهای شبیه سازی، از نوار منوی پنجره ی مدلsimulation : parameters را انتخاب کنید تا کادر مکالمه پارامترهای شبیه سازی مطابق شکل (23) باز شود کادر مکالمه پارامترهای شبیه سازی دارای چهار صفحه ی جدول بندی شده ی Advanced , Diagnostics, workspace I/O می باشد صفحه ی solver ، حل کننده معادله ی دیفرانسیل را انتخاب وپیکربندی می کند. از این قسمت حل کنندهها در دو رده دسته بندی شده اند: گام متغیر(variablestep) و گام ثابت (fixed &ndash step) برای هر رده چندین الگوریتم انتگرال گیری مختلف وجود دارد. اگر حل کننده گام متغیر انتخاب شود، دارای فیلدهایی برای انتخاب ماکزیمم اندازه گام انتگرال گیری ، اندازه گام انتگرال گیری اولیه و تولرانس های نسبی و مطلق می باشد. اگر حل کننده گام ثابت انتخاب شود تنها یک فیلد که برای وارد کردن اندازه گام می باشد، دارد.
25 آنماز واجرای یک شبیه سازی:
قبل از آغاز شبیه سازی،حتماً باید آغاز و انتهای شبیه سازی را در حین پیکربندی شبیه سازی تعریف کنید. شبیه سازی را می توان با کلیک کردن روی کلمهstart تحت منوی simulation صفحه ای سیمولینک یا صفحه ی مدل آغاز نمود. در صورت تمایل می توانید قبل ازآغاز شبیه سازی، اسکوپ و ساعت را تنظیم کنید تا پیشرفت شبیه سازی را روی نمایشگر مشاهده نمایید.
251 مشاهده متغیرها در حین اجرا
می توانید بوسیله ی scope که در کتابخانه سیمولینک در قسمت sinks قرار دارد متغیرها را در بین اجرای شبیه سازی مشاهده کرد فقط کافی است scope را به متغیری که می خواهیم آن را در حین اجرا ببینیم وصل کنیم.
کلاً برای مشاهده خروجی هادر سیمولینک چند وسیله خارجی تحت کتابخانهsinks فراهم آمده است. اسکوپ فراهم شده ، یک ورودی دارد که سیگنال های مالتی پلکس شده را نیز می پذیرد.
26 ذخیره داده ها
شکل(24) دو روش متفاوت برای مشاهده متغیرها را نشان می دهد. خروجی ژنراتور موج (سیگنال ژنراتور) را می توان مستقیماً طی مدت اجرای شبیه سازی ، توسط اسکوپ مشاهده کرد، یا اگر قرار است داده ها رسم شده یا بعداً مورد استفاده قرار گیرند می توان خروجی مطلوب به همراه زمان اجرای شبیه سازی از طریق ساعت را به فایل داده Matlab و با استفاده از الگویTo File در sinks ذخیره نمود. به جای این که نتایج مستقیماً در یک فایل نوشته شود، خروجی را می توان به شکل موقتی تحت یک آرایه (yout) در محیط Matlab و بااستفاده از الگوی to workspace که تحت sinks می باشد ذخیره کرد.
داده هایی که به این ترتیب تحت آرایه ی yout، ذخیره شده ، در بخش های دیگر شبیه سازی در سیمولینک می تواند مورد استفاده قرار گیرد.اسامی فایل های داده و یا آرایه ی مربوط به to file یا workspace ، حجم مناسبی از بافر باید قبل از شروع شبیه سازی به آن تخصیص یابد. اگر حجم بافر مناسب نباشد، داده های ذخیره شده توسط داده های جدید جایگزین می شوند. در خصوص پارامترهای to workspace امکان داخل کردن سه پارامتر دیگر وجود دارد.
1limit data points to last : طول بافراست.
2decimation : یک عدد صحیح مثل n است ، بیانگر آن است که اطلاعات خروجی پس از هرn مرحله از انتگرال گیری، ذخیره می شود. از این انتخاب جایی استفاده می شود که حجم حافظه محدود است، یااین که نیازی به حفظ همه ی اطلاعات نباشد.
3 sample time: این پاراتروقتی مفید است که قرار باشد اطلاعات نمونه گیری شده جهت رسم شکل یا تجزیه وتحلیل به کار رود.
شما همچنین می توانید آرایه ای که قبلاً درمحیط matlab تولید شده برای استفاده های بعدی نظیر رسم شکل یا تجزیه و تحلیل، توسط دستورsave در یک فایل ذخیره کنید.
در این صورت matlab یک فایل باینری(filename. Mat) در دایرکتوری جاری و بامحتوی آرایه ی (yout) در داخل آن ایجاد می کند.
