تحلیل مؤلفه حالت پایدار موتور تکفاز سنکرون رلوکتانسی متعادل با یک خازن استارت

ارتعاشات گشتاور ناشی شده از برجستگی[1] روتور و نامتعادل بودن سیم­پیچی استاتور، بازده موتورهای تک­فاز رلوکتانسی را کاهش می­دهد.

این مقاله مؤلفه­های مختلف گشتاور تولیدشده توسط چنین موتوری را نورد بررسی قرار داده و وابستگی­های آن­ها را به اندیس­های عملیاتی ماشین در حالت پایدار مطالعه می­کند. عبارت­های گشتاور از قسمت­های مؤلفه توسط هماهنگ d-q حاصل‌شده و تابعی از زاویه بار و خازن سیم­پیچ بسته به اینکه چه رابطه­ای برای بازده در نظر گرفته شود، خواهد بود.

ارتعاشات گشتاور ناشی شده از برجستگی[1] روتور و نامتعادل بودن سیم­پیچی استاتور، بازده موتورهای تک­فاز رلوکتانسی را کاهش می­دهد. این مقاله مؤلفه­های مختلف گشتاور تولیدشده توسط چنین موتوری را نورد بررسی قرار داده و وابستگی­های آن­ها را به اندیس­های عملیاتی ماشین در حالت پایدار مطالعه می­کند. عبارت­های گشتاور از قسمت­های مؤلفه توسط هماهنگ d-q حاصل‌شده و تابعی از زاویه بار و خازن سیم­پیچ بسته به اینکه چه رابطه­ای برای بازده در نظر گرفته شود، خواهد بود. با اصلاح و تنظیم مقدار خازن با استفاده از اعمال شرایطی برای تعادل بازده درایو برای موتورهای دو فازه بهبود حاصل شد. نتایج آزمایش ساده برای ارزیابی صحت مدل تعادل هارمونیک استفاده شد و مشاهدات خوبی حاصل شد. ارتعاشات گشتاور ناشی از نامتعادل بودن سیم­پیچی استاتور کاهش یافت اما همان‌طور که انتظار می‌رفت ارتعاشات ناشی از برجستگی­های روتور بدون تغییر باقی ماندند. بهبود در بهینگی تحت شرایط متعادل به موتور این امکان را می­دهد تا گشتاور بار بیشتری را پشتیبانی کند.

کلمات کلیدی: عملیات متعادل، گشتاور، خازن کنترل­شده، تعادل هارمونیک، موتور رلوکتانسی تک­فاز، بازده حالت پایدار

آشنایی

نیاز مداوم برای درایوهای سنکرون اسب بخار کسری، استفاده از موتورهای تک‌فاز سنکرون رلوکتانسی[2] SPSR و مغناطیس دائم[3] PM را در کاربری‌های خانگی و صنعتی لازم می‌دارد. هم‌چنین دومین ویژگی بهینگی و فاکتور توان بالاتری دارد اما اولی ارزان­تر است و در اندک تعداد ولی بسیار دقیق پژوهش­هایی [1-3][6-8] مورد مطالعه بوده است. هدف کلی و نهایی طراحی موتوری با بازده قابل مقایسه با موتورهای القایی IM است که هنوز در تحویل گشتاور سنکرون به کار می‌رود. علی‌رغم تفاوت‌های بسیار آن‌ها در مکانیزم تولید گشتاور، موتور SPSR نزدیک­ترین خویشاوند موتورهای القایی به دلیل شباهت‌های ساختاری آن‌ها است و تفاوت اساسی آن‌ها برجستگی مدار مغناطیس روتور در موتور SPSR است.

عموماً این مطلب که برای هر موتور تک‌فاز، شرایط تعادل در یک بار خاص [2-5، 9] حاصل می‌شود اگر مقدار خاصی خازن به سیم‌پیچ کمکی متصل شود، یک مبحث شناخته شده است. اگر بار همان‌طور که در بسیاری از کاربری‌ها دیده می‌شود تغییر کند یک خازن متفاوت برای به تعادل رسیدن مورد نیاز است. تعادل به معنای توزیع برابر MMF و جابه‌جایی بسیار بی‌نقص جریان حلقوی در سیم‌پیچ به صورت متعامد در هر میزان باری است. چنین شرایطی ایده‌آل‌گرایانه است زیرا برخی مؤلفه­های موج MMF وارونه از شرایط اساسی سرچشمه می‌گیرد که برای عملیات سنکرون موفق ضروری است، یعنی برجستگی روتور و سیم‌پیچی تک‌فاز استاتور. این مطلب به این دلالت می‌کند که بسیاری از موتورهای تک‌فاز (حتی با خازن استارت) که با بارهایی به جز مقادیر ارزیابی شده استفاده می‌شوند در حالت نامتعادل کار می‌کنند. اگرچه سطح عدم تعادل به اندازه‌ی کافی پایین است که تأثیر چندانی روی طول عمر موتور نداشته باشد اما عموماً موجب سروصدا، لرزش، تزلزل و لرزش روتور و ساییده شدن و گسستگی در روتور می‌شود که بسیار نامطلوب است. روش­های توسعه‌یافته برای کاهش گشتاور مرتعش یک حوزه رو به گسترش پژوهشی است که به طور گسترده توسط جانز و سونگ در روش­های مرتبط با طراحی طبقه­بندی شده است که منابع الکترومغناطیسی گشتاور و روش‌های مبتنی بر کنترل پویا بر تحریک برای اصلاح ویژگی­های غیر ایده‌آل ماشین مرتعش را ارجاع می‌دهد. هر دوی این روش‌ها تمرکز مداومی را، مخصوصاً در ماشین­های با مغناطیس دائم به سمت خود جلب می‌کنند. برای موتورهای تک‌فاز، روش اول طاقت‌فرسا به نظر می‌رسد و تأکید بر بهبود کیفیت خروجی به سمت کنترل خازن سیم‌پیچ کمکی هدایت شده است؛ منابع [1، 11، 12، 17] مرور خوبی بر روش­های مختلف بیش‌تر روی موتورهای القایی فراهم کرده‌اند.

مؤلفان مختلف [2-5] شرایطی را برای عملیات متعادل در مورد موتور تک‌فاز مورد مطالعه قرار داده‌اند که همگی به نتایج مشابهی با تفاوت در میزان پیچیدگی بر اساس متغیرهای در نظر گرفته شده برای ماشین، دست یافته‌اند. شرایط فینچ-لارسون [3] در اینجا مورد استفاده قرار گرفته‌ شده‌اند زیرا این مقاله بازده یک ماشین از پیش طراحی شده را در نظر گرفته‌اند اما این مطلب در هیچ موردی شرایط ژو-سنگ [4]، میلر [5] یا چانگ [2] بر قرار نمی‌دارند، از آن‌جایی که آن‌ها به انتخاب نسبت دورها، زاویه فضایی جابه‌جایی سیم‌پیچ، فاکتور توان موتور و میزان خازنی بودن وابسته‌اند. این شرایط عبارت‌اند از [3]:

[1] Saliency

[2] Single-phase Synchronous Reluctance

[3] Permanent Magnet