توضیحات

پروژه شبیه سازی و تحلیل الکترومغناطیسی و حرارتی و مکانیکی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM) در نرم افزار انسیس موتورکد ANSYS Motor CAD

Name: پروژه شبیه سازی و تحلیل الکترومغناطیسی و حرارتی و مکانیکی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM) در نرم افزار انسیس موتورکد ANSYS Motor CAD
SKU: 7150
Price: 490000 IRT
Availability: InStock

موتور سنکرون رلوکتانسی یکی از قدیمی ترین و ساده ترین ماشین های بدون جاروبک AC است. این موتور در مقایسه با موتور القایی به دلیل عدم وجود سیم پیچ روتور، فاقد تلفات روتور می باشد. همچنین در مقایسه با موتور سنکرون سوئیچ رلوکتانسی ریپل گشتاور پایین تر و نویز کمتری دارد.

در چند دهه اخیر موتورهای DC به دلیل کارایی بالا و کنترل آسان، در سطح وسیعی در صنایع مختلف استفاده شده اند. همچنین این نوع درایوها دارای راندمان بالا و دینامیک سریع هستند. اما وجود کموتاتورهای مکانیکی، جارویک ها و هزینه تعمیر و نگهداری آنها باعث گرانی این نوع موتورها در مقایسه با انواع موتورهای AC متعارف شده است. باتوجه به معایب ذاتی درایوهای DC استفاده از درایوهای AC اعم از سنکرون و القایی مورد توجه خاص گرفته است. هرچند که اینگونه درایوها دارای کنترل کننده های پیچیده تر و گرانقیمت تری نسبت به درایوهای DC می باشند.

ماشین SynRm در سال ۱۹۰۰ بوسیله danielsen در سوئد اختراع شد و دلیل این اختراع، بهبود ضریب توان ماشین القایی بود. در آن زمان ماشین، ماشین خود راه انداز سنکرون نامیده میشد. بدلیل توانایی آغاز بکار با جریان خط و قفل کردن سرعت سنکرون با تغيير شكل روتور، آنرا برجسته کردند. پس از مدتی، ماشین نام سنکرون القایی به خود گرفت و توجه بسیاری را جلب کرد و در صنایع ریسندگی مورد استفاده ی بسیاری قرار گرفت. این ماشین بدلیل ناتوانی در تولید روتوری با ضریب برجستگی بالا و درنتیجه کم بودن ضریب توان مورد بی توجهی محققین قرار گرفت؛ تا اواخر دهه ۱۹۸۰ که زمانی بود که ماشین SynRM ، بدون قفس روتور، به عنوان جایگزین برای ماشین القایی مطرح گشت. در این موقع بود که مقاله ای توسط آقای lipo انتشار یافت بنام “ماشین سنکرون رلوکتانسی-یک جایگزین ماندنی برای ماشین القایی”. وی در این مقاله ذکر کرده بود که با توجه به پیشرفت صنعت و توانایی تولید روتور مناسب و کنترل جریان یک چگالی گشتاور مناسب بدست می آید تا موتور القایی را پشت سر گذارد. از آن موقع به بعد، تلاشهای تحقیقی عظیمی بر روی این موتور صورت گرفته که بخش عظیمی از آنها مربوط به بحث بدون حسگر می باشد.

درایورهای سرو، با عملکرد بالا و دقیق در کنترل موقعیت با سرعت، در مصارف صنعتی بسیار مهم هستند. عملکرد، سروموتور، علاوه بر استراتژی کنترلی، به دینامیک موتور نیز بستگی دارد. در دهه های گذشته، ماشین سنکرون مغناطیسی دائم، بخاطر اینرسی کم روتور و بازده بالا نقش بسزایی در کنترل سرو موتوری ایفا کرده است.

به هرحال قیمت بالای مغناطیس دائم ها، محدودیت های دمای عملکرد و خطر برگشت مغناطیسی pM در گشتاورهای گذرای بالا یا در اتصال کوتاه، عملکردش تاحدی محدود شد. اخیرا با بهبود کنترل برداری، علاوه بر استفاده از DSP، باعث سهولت در استراتژی های کنترل پیچیده شد. نه تنها PMSM، بلکه IM، SRM، SynRM، نیز به عنوان درایو، مورد استفاده بیشتر قرار می گرفتند. کنترل برداری ماشین القایی، یک دینامیک سریع، بهمراه یک موتور جان سخت را مهیا می کند. در عین حال، این موتور وابسته به پارامتر بوده ، دارای تلفات بالا و سخت از نظر کنترل پذیری می باشد. جستجو برای یک موتور جان سخت با تلفات کم، نتیجتاً به SRM منتهی شد که با پیشرفت الکترونیک صنعتی امروز و کنترل جریانی موقعیت ، براحتی قابل مقایسه با موتور القایی کنترل شده بوسیله ی کنترل برداری می باشد. بعضی از معایب استفاده ی ضعیف از مواد فعال ، حالت قابل توجه ضربانی گشتاور در سرعتهای بالا ، چگالی پایین گشتاور و مقدار نسبتا پایینKW/KVA می باشد. برای برطرف کردن عیوب بالا، به موتور SynRM روی آورده شد. این موتور، حاوی هیچ سیم پیچی بر روی روتور نمی باشد، بنابراین، تمام جریان ها و تلفات در استاتور و درنتیجه گرما نیز در استاتور تولید میشود. این مهم نیز خنک کردن موتور را ساده کرده و آنرا برای کار در شرایط با محیط گرم، به دلیل توانایی اندازه گیری مستقیم دمای موتور، اضافه بار و.. از طریق بدنه، مناسب می سازد. علاوه بر دلایل مذکور، به دلیل سادگی ساختار و عدم حضور حلقه لغزان و جاروبک، با اتخاذ تدابير مناسب، میتوان استراتژی کنترلی مناسبی بکار برد و کنترل این موتور را دقیقا همانند ماشین DC در واقع ساده تر از ماشینهای AC دیگر در دست گرفت.

متداولترین نوع موتور الکتریکی که امروزه در صنعت استفاده می گردد موتور القایی قفس سنجابی سه فاز چهار قطب می باشد. موتورهای القایی بواسطه راندمان و ضریب قدرت بالا، قیمت پائین، ساختار محكم، قابلیت اطمینان و عمر زیاد و حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری، چنین جایگاه برجسته ای یافته اند. سازندگان موتور القایی، در طول سالهای اخیر بکمک پیشرفت علم طراحی ماشین و ظهور مواد با کیفیت بالا، محصولات تولیدی خود را بطور چشمگیری بهبود بخشیده اند. بازار موجود برای استفاده از موتورهای القایی یک مانع جدی در متقاعد ساختن تولید کنندگان جهت تولید سایر موتورها محسوب می شود. اما بعضی خصوصیات ممتاز در موتورهای دیگر، امکان رقابت آنها با موتور القایی را فراهم آورده است. اساسأ درایوهای سرعت متغير القایی دارای دو نقطه ضعف عمده می باشند: ١-تخمین سرعت واقعی روتور بخصوص در سرعتهای پائین با وجود لغزش و عدم وجود برجستگی بر روی روتور عموما دشوار بوده و به یک نمونه بردار سرعت نیاز دارد. بعلاوه، کنترل درايو القایی در سرعتهای خیلی پائین پیچیده می گردد و در پیاده سازی با مشکلات اساسی روبرو می شود. ۲-موتورهای القایی استاندارد به ندرت بر اساس کاربردهای سرعت متغير طراحی بهینه می شوند بلکه بطور نرمال بر مبنای ولتاژ تغذیه سینوسی طراحی و ساخته می گردند. چنانچه یک موتور القایی استاندارد با یک مبدل تغذیه گردد توان خروجی که بطور پیوسته از آن درخواست می شود باید از مقدار نامی کمتر باشد زیرا تلفات اضافی ایجاد شده در موتور ناشی از هارمونیکهای مبدل، دمای داخل موتور را بالا می برد.

بسته به نوع مبدل، نوع مدولاسیون و نحوه طراحی ماشین و با توجه به اطلاعات مندرج در دفترچه های فنی ارائه شده توسط سازندگان، میزان کاهش سطح توان خروجی در فرکانس نامی، بین ۰ تا ۲۰ درصد متغیر است.

امکان کنترل بدون نمونه بردار مکانیکی حتی در سرعت صفر، امکان دستیابی به راندمان بالاتر و یا لااقل برابر با موتورهای القایی پربازده و سرعت چرخش سنکرون از خصوصیات ممتاز موتورهای سنکرون AC مدرن اعم از موتورهای سنکرون مغناطیس دائم نوع روتور داخلی و موتور سنکرون رلوکتانسی با نسبت اندوکتانس بالا در مقایسه با موتور القایی می باشد. استفاده از آهنربای دائم در ماشین های صنعتی سرعت پائین و حذف جعبه دنده، یکی دیگر از این برتری هاست.

روش های کنترل موتور سنکرون رلوکتانسی :

یکی از روش های قدیمی کنترل درایوهای سرعت متغیر AC روش V/F ثابت است. عیب این روش آن است که پاسخ گذرای درایو خیلی کند می باشد و تنها برای درایوهای با دینامیک پایین مناسب است. امروزه باتوجه به محاسن موتور سنکرون رلوکتانسی و نیز پیشرفت هایی که در زمینه طراحی ماشین و الکترونیک قدرت حاصل شده است استفاده از تکنیک های کنترل برداری بر روی این درایوها، مورد توجه محققین و طراحان درایو قرار گرفته است. به طوری که روش های گوناگون امتدادیابی میدان در دستگاه های مرجع دو محوری روتور (d,q) بطور وسیعی در درایوهای سرعت متغیر AC، از جمله درایوهای روتور سنکرون رلوکتانسی مورد استفاده قرار گرفته است.

امروزه مصرف قابل توجه انرژی در سراسر جهان مصرف انرژی الکتریکی می باشد. از طرفی تحقیقات انجام شده نشان می دهد که موتورهای الکتریکی بیشترین سهم را در مصرف انرژی الکتریکی دارند. بنابراین باتوجه به استفاده گسترده از موتورهای الکتریکی تحقیق بر روی موتورهای الکتریکی با بازده بالا بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. زیرا استفاده از موتورهای الکتریکی با بازدة بالا موجب کاهش مصرف انرژی و همچنین باعث کاهش اثرات مخرب بر روی محیط زیست می شود. از اینرو، در سال های اخیر علاقه بسیاری به مطالعه بر روی موتورهای سنکرون رلوکتانسی صورت گرفته است که تحقیقات اولیه انجام شده بر روی آن به سال ۱۹۲۳ بر می گردد. استاتور موتورهای سنکرون رلوکتانسی مشابه موتور القایی و موتور سنکرون مغناطیس دائم است، اما ساختار روتور آن به طور قابل توجهی متفاوت است.

شکل نمونه ای از استاتور و روتور موتور سنکرون رلوکتانسی.

ساختار روتور در موتورهای سنکرون رلوکتانسی به گونه ای است که منجر به ویژگی هایی از جمله تراکم گشتاور و ضریب قدرت بالا می شود. بدین ترتیب بدون استفاده از روتور مغناطیس دائم، موتور سنکرون رلوکتانسی می تواند مزایای موتور سنکرون مغناطیس دائم را با هزینة پایین تر ممکن ساز کند. علاوه بر این، عدم وجود سیم پیچ جریان در روتورهای سنکرون رلوکتانسی موجب صرفه جویی در هزینه، سادگی و عدم وجود تلفات مسی در روتور می شود. از اینرو، گشتاور پیوسته بیشتری را در مقایسه با ماشین القایی با سایز یکسان دارا می باشد. از طرفی عدم وجود تلفات مسی در روتور باعث افزایش بازده میشود. همچنین این امر موجب می شود که موتورهای سنکرون رلوکتانسی در دمای پایین تری کار کنند و طول عمر آن ها افزایش یابد. افزون بر موارد فوق، ساختار شار احاطه شده روی روتور باعث می شود که موتورهای سنکرون رلوکتانسی در کاربردهای تضعیف میدان نیز مناسب باشند.

شکل نمونه ای از روتور موتور سنکرون رلوکتانسی.

بنابراین موتور سنکرون رلوکتانسی به خاطر ساختار متفاوت روتور نسبت به سایر موتورها از جمله موتور القایی و موتور مغناطیس دائم ویژگی های قابل توجه ای را به همراه دارد که در بالا مطرح گشت. از طرفی این موتور نیز به مانند سایر موتورها به منظور راه اندازی مناسب، عملکرد بهتر، بازده بیشتر و بهره بردن از ویژگی های آن نیازمند به درایو می باشد تا از طریق یک روش کنترل مناسب این موارد تا حد زیادی محقق شود. در میان روش های کنترل که تا به امروز مطرح شده اند، روش هایFOC و DTC رایجتر می باشند.

موتور سنکرون رلوکتانسی:

موتور سنکرون رلوکتانسی(Synchronous reluctance machine یا SynRM) یکی از قدیمی ترین و در عین حال ساده ترین انواع موتورهای الکتریکی است. این موتور با دارا بودن ساختار مقاوم و در عین حال ساده، طی سال های اخیر مجددا مورد توجه قرار گرفته است. این توجه مجدد بیشتر مرهون پیشرفت های حاصل در الکترونیک قدرت و همچنین ظهور تکنولوژی محاسباتی ارزان قیمت می باشد. امروزه موتورهای الکتریکی در طیف وسیعی از کاربردهای خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع حدود دو سوم انرژی مورد استفاده در صنعت و همچنین حدود ۴۰ درصد از کل انرژی الکتریکی مصرفی در جهان توسط موتورهای الکتریکی مصرف می گردد. بسیاری از این موتورها از نوع القایی با بازدهی در حدود ۷۰ الي ۸۰ درصد می باشند. اگرچه می توان عملکرد و بازدهی را با استفاده از موتورهای مغناطیس دائم بهبود بخشید، اما قیمت مواد آهنربای دائمی بشدت در حال افزایش است و به لحاظ اقتصادی فعلا قابلیت جایگزینی موتورهای القایی را ندارند. در چنین شرایطی موتورهای رلوکتانسی جزء گزینه هایی هستند که جلب نظر می کنند.

طی سال های گذشته ماشین های رلوکتانسى مجددا مورد توجه قرار گرفته اند. این توجه عمدتا به سمت ماشین رلوکتانسی سوئیچ شونده(Switched reluctance machine یا SRM) معطوف بوده؛ روندی که تا امروز هم ادامه پیدا کرده است. به طور همزمان توجه به ماشین سنکرون رلوکتانسی هم افزایش یافته است؛ هر چند پیشرفت و صنعتی سازی این ماشین به مراتب از SRM کمتر بوده است. پیشرفت SRM بیشتر به دلیل ساختار مکانیکی ساده و مقاوم آن بوده است. دارا بودن چگالی گشتاور زیاد بهمراه قابلیت خطاپذیری بالای آن، SRM را به گزینه ای مناسب برای کاربردهای فضایی و نیز وسایل نقلیه تبدیل کرده است. به هر صورت، SRM از بسیاری جهات ماشین ایده آلی محسوب نمی شود. متمرکز بودن سیم بندی استاتور در ماشین SRM مانعی در استفاده از تحلیل سینوسی و تکنیک های کنترلی مدرن موجود می باشد. مهمتر اینکه وجود برجستگی هم در روتور و هم در استاتور و نیز سیم بندی متمرکز، منجر به ایجاد ضربانات شدید گشتاور و نویز صوتی می گردد. بعلاوه، اینورتر سه ساق استاندارد نمی تواند در درایو این ماشین مورد استفاده قرار گیرد.

از سوی دیگر، SynRM یک ماشین با سیم بندی سینوسی می باشد. در حقیقت، اغلب SynRMهای ساخته شده تا امروز از استاتور و سیم پیچ های یک ماشین القایی استفاده نموده اند. این بدان معناست که ماشین ایده آل بطور طبیعی گشتاور یکنواختی تولید خواهد کرد. ساختار متعارف سیم بندی سه فاز امکان استفاده از توپولوژی استاندارد اینورتر و روش های کنترلی مبتنی بر بردار را فراهم می سازد. با این وجود، عملکرد نسبتا ضعیف ماشین های سنکرون رلوکتانسی(با ساختار سنتی) در مقایسه با SRM و ماشین های القایی موجب گردیده است تا SynRM از پشتوانه تحقیقاتی مشابه SRM برخوردار نباشد. این ضعفا، عمدتا به دلیل ساختار رتور این موتور بوده است. ماشین سنکرون رلوکتانسی یکی از قدیمی ترین ماشین های الکتریکی می باشد. به دلیل قابلیت ماشین برای راه اندازی و ورود به قفل سنکرون، این ماشین در ابتدا ماشین سنکرون خود راه انداز(Self-starting synchronous machine) نامیده می شد. کاربرد عمده ی این ماشین بیشتر در صنایع نساجی بود که طبیعت سنکرون ماشین اجازه می داد تا تعداد زیادی غلطک با سرعت برابر با همدیگر بچرخند. پیشرفت های حاصل در الکترونیک قدرت و تکنولوژی محاسباتی ارزان قیمت در اوایل دهه ۱۹۸۰ باعث شد ماشین سنکرون رلوکتانسی به عنوان یک ماشین بدون قفس مجددا مورد ارزیابی قرار گیرد. علیرغم آنکه در سالهای گذشته موتور سنکرون رلوکتانسی کمتر به لحاظ صنعتی مورد توجه قرار گرفته بود، اما ورود تولید کنندگان بزرگ موتورهای الکتریکی به تولید تجاری این موتور، چشم انداز روشنی پیش روی SynRM قرار داده است. شرکت ای بی بی(ABB) اولین تولید کننده ای بود که تولید تجاریSynRM را آغاز کرد. علاوه بر ABB شرکت زیمنس با پکیج موتور-درایو خود با قدرت خروجی 5.5 کیلووات تا 30 کیلووات و درایو با کنترل برداری و همچنین شرکت کی اس بی با محصول خود با قدرت خروجی 0.55 کیلووات تا 45 کیلووات وارد این بازار شده اند.

موتورهای رلوکتانسی از نظر ساختمان نسبت به سایر موتورهای AC ساده تر بوده و علاوه بر آن دارای قابلیت اطمینان بالایی می باشند. برای بررسی این موتورها می توان به موتورهای رلوکتانس سوئیچی و موتورهای رلوکتانس سنکرون اشاره کرد. موتورهای رلوکتانس سوئیچی از نظر ساختمان ساده ترین نوع ماشین های الکتریکی می باشند، که دارای استاتوری با سیم پیچهای تحریک و یک روتور مغناطیسی با قطب برجسته هستند. در این موتورها به دلیل تمایل روتور به هم راستا شدن با موج شار تولیدی استاتور باعث شده تا شارهای پیوندی به حداکثر برسد. موتورهای رلوکتانس سنکرون از نظر ساختمان بسیار ساده می باشند. استاتور این موتور شبیه استاتور یک موتور القایی سه فاز است یعنی یک سیم پیچ سه فاز متعادل درون شیارهای استاتور جای می گیرد و روتور آن از نظر مغناطیسی همانند یک روتور قطب برجسته بدون سیم پیچی و بدون مغناطیس دائم است.

مزایای موتور رلوکتانس سنکرون نسبت به موتور سنکرون مغناطیس دائم:

الف- در موتور رلوکتانس سنکرون، با مشكل دشارژ مغناطیسی مواجه نخواهند شد، زیرا روتور نه سیم پیچی دارد و نه آهنربای دائم در نتیجه قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به موتورهای مغناطیس دائم دارد.

ب- نیازی به تحریک در گشتاور صفر جود نداشته پس تلفات پیچشی الكترومغناطیسی حذف خواهد شد.

مزایای موتور رلوکتانس سنکرون نسبت به موتور رلوکتانس سوئیچی:

در این موتور با مشکل پیچیدگی کنترل موتور رلوکتانس سوئیچی مواجه نخواهند شد زیرا جریان فازها با کلیدزنی قطع و وصل نمی شوند.

مزایای موتور رلوکتانس سنکرون نسبت به موتورهای القایی و سنکرون:

الف- مهمترین ویژگی این موتور این است که هیچگونه سیم پیچ با آهنربای دائمی در روتور وجود ندارد و نیز تنها منبع تحریک، همان سیم پیچی استاتور است.

ب- با توجه به اینکه استاتور را موثرتر و آسانتر از روتور می توان خنک کرد. نتیجه کار اغلب یک موتور کوچکتر با ظرفیت و اندازه قاب مشخص است. لذا یک نکته عملی اینکه روتور این نوع موتورها را میتوان از موادی با هزینه پایین ساخت.

علی رغم مزایای فوق مهمترین عیب این موتورها، ضربان گشتاور ناشی از تغيرات مقاومت مغناطیسی است که باعث تولید سر و صدا و افزایش سطح نویز می شود.

نرم افزار انسیس موتورکد(ANSYS Motor-CAD)

یکی از بهترین نرم افزارهای مورد استفاده در زمینه تحلیل موتورهای الکتریکی از نظر حرارتی و خنک کنندگی، نرم افزار انسیس موتورکد(ANSYS Motor-CAD) است. در ابتدا و پیش از انجام هرگونه شبیه سازی بایستی نوع موتور مورد استفاده مشخص گردد که برای این منظور از گزینه Motor Type در نرم افزار استفاده می‌شود. پس از انتخاب نوع موتور بایستی کلیه پارامترهای ساختاری موتور اعم از پارامترهای مربوط به استاتور و روتور وارد گردند که این امر از طریق منوی Geometry امکان پذیر است. منوی، Geometry موتور را از سه منظر متفاوت نشان می دهد.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی تحلیل الکترومغناطیسی و حرارتی و مکانیکی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM) در نرم افزار انسیس موتورکد ANSYS Motor CAD انجام شده است.