%34تخفیف

دانلود پروژه:بهبود عملکرد کنترل مستقیم گشتاور موتور القایی تغذیه شده با پیل سوختی

تعداد 163 صفحه فایل word قابل ویرایش

Site: www.filenaab.ir
فایل ناب

دانشکده مهندسي برق و کامپيوتر

گروه قدرت

رساله براي دريافت درجه دکتري

در رشته‌ي مهندسي برق گرايش قدرت

عنوان

بهبود عملکرد کنترل مستقیم گشتاور موتور القایی تغذیه شده با پیل سوختی

 

چکیده

روشهای مختلفی برای درایو موتور القایی وجود دارد که در بین آنها روش FOC و DTC به دلیل دقت مناسبی که دارند، از مقبولیت بیشتری برخوردار هستند. هدف رساله مطالعه و تحقیق تغذیه موتور القایی توسط پیل سوختی است و کاربرد آن بیشتر برای تجهیزات متحرک مانند خودرو است. درایو مورد استفاده در خودرو باید پاسخ دینامیکی سریعی داشته باشد و در شرایط کاری مختلف بتواند عملکرد مناسبی داشته باشد. روش DTC به دلیل سادگی ساختار، عدم نیاز به تبدیل دستگاههای مرجع، وابستگی بسیار کم به پارامترهای موتور و پاسخ دینامیکی سریع برای این رساله انتخاب شده است.

پیل سوختی به دلیل تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی در مقایسه با سایر منابع انرژی دارای بازده بیشتری است و از طرفی آلودگی بسیار ناچیزی دارد. بنابراین در صنایع مورد توجه قرار گرفته است. با این وجود پیل سوختی به دلیل پاسخ دینامیکی کند، تغییرات شدید ولتاژ خروجی به ازای تغییرات توان کشیده شده از آن و وابستگی ولتاژ و توان خروجی به پارامترهای مختلفی مانند دما، رطوبت و فشار گازهای ورودی درایو موتورهای الکتریکی را پیچیدهتر کرده و پاسخ شار و گشتاور را نامطلوب خواهد نمود. این مسئله در شرایطی است که روش DTC به صورت ذاتی دارای ریپل شار و گشتاور نسبتا زیادی است که باعث ایجاد آلودگی صوتی، کاهش طول عمر مفید موتور و افزایش تلفات خواهد شد. بنابراین در تغذیه موتور القایی کنترل شده به روش DTC با استفاده از پیل سوختی، پاسخ شار و گشتاور بسیار مهم خواهد بود و لازم است روش DTC به گونهای بهبود یابد که مشکلات ذاتی بیان شده تا حد امکان بهبود یابند و از طرفی طرحی ارائه شود که پاسخ پیل سوختی را بهبود دهد.

با توجه به این مباحث در این رساله ابتدا روش DTC تحلیل و شبیهسازی شده است. در ادامه، یک مدل دینامیکی جامع برای پیل سوختی ارائه شده که نسبت به مدلهای موجود دارای دقت و سرعت بهتری است که آن را برای کاربردهای برخط مانند درایو موتور مناسب ساخته است. سپس یک طرح مدولار جدید برای پیل سوختی ارائه شده و با استفاده از آن عملکرد درایو موتور القایی بهبود داده شده است. به منظور کاهش تعداد حسگرهای مورد استفاده و در نتیجه کاهش هزینه، تلاش شده تا پارامترهای مختلف سیستم کنترلی تخمین زده شوند و در این راستا شار، گشتاور و سرعت موتور تخمین زده شدهاند. همچنین با استفاده از اندازهگیری ولتاژ و جریان لینک DC یکی از حسگرهای جریان نسبت به حالت متداول کاهش یافته و برای بازسازی مقدار جریانهای موتور از حالتهای کلیدزنی اینورتر استفاده شده است.

افت ناخواسته شار در سرعتهای کم و شرایط کم باری و زیاد بودن ولتاژ مد مشترک از دیگر مشکلات موجود در روش DTC است. معمولا برای کاهش ولتاژ مد مشترک از بردارهای ولتاژ صفر استفاده نمیشود. در این رساله نشان داده شده که شیب منحنی ریپل گشتاور موتور القایی به نوع بردار ولتاژ انتخاب شده بستگی دارد و عدم استفاده از بردار ولتاژ صفر باعث افزایش ریپل گشتاور خواهد شد. در این رساله با اصلاح نواحی تعریف شده برای شار و عدم استفاده از بردارهای ولتاژ صفر و بهبود سطوح کنترل کننده هیسترزیس گشتاور مشکلات افت ناخواسته شار و ولتاژ مد مشترک به طور همزمان بهبود یافتهاند و ریپل گشتاور نیز تا حدی بهبود یافته است.

برای حفظ سادگی ساختار DTC یک روش جدید ارائه شده که نسبت به روشهای قبل ریپل شار کمتری داشته و در حالت گذرا از دینامیک پاسخدهی سریعتری برخوردار است. همچنین فرکانس کلیدزنی در این روش برخلاف روشهای هیسترزیس تقریبا ثابت است. بنابراین روش پیشنهادی قابلیت بهبود عملکرد DTC را در شرایط ماندگار و شرایط گذرا خواهد داشت. در رساله ساختاری ارائه شده که دو موتور القایی توسط یک اینورتر 9 کلیدی به روش DTC کنترل شدهاند و برای بهبود عملکرد پیل سوختی، توان کشیده شده از پیل سوختی تثبیت شده و مدیریت توان مورد نیاز بار با استفاده از باتری و ابرخازن انجام شده است. همچنین با استفاده از یک اینورتر چند سطحی بهبود یافته، پاسخ گشتاور موتور القایی بهبود یافته است. در ادامه اثر نوع عنصر ذخیرهساز انرژی بر میزان مصرف هیدروژن بررسی شده است.

کلید واژه ها: موتور القایی، کنترل مستقیم گشتاور، پیل سوختی، کاهش ریپل،

فهرست مطالب

عنوان مطلب

صفحه

فصل اول: مقدمه

1

1-1- مقدمه

2

1-2- اهمیت موضوع و بیان مسئله

3

1-3- هدف رساله

3

1-4- ساختار پایان‏نامه

4

فصل دوم: بررسی پیشینه پژوهش

6

2-1- مقدمه

7

2-2- روشهای کنترل دور موتور القایی

8

2-3- اصول محرکه‏های برداری

10

2-4- کنترل مستقیم گشتاور (DTC)

13

2-4-1- اصول DTC کلاسيک در موتورهاي القايي با تغذيه اينورتر منبع ولتاژ

13

2-4-2- بردارهاي كليدزني

15

2-4-3- اثر انتخاب بردار ولتاژ کليدزنی اينورتر روی شار و گشتاور موتور القايي

17

2-4-4- انتخاب بردار ولتاژ کليدزنی اينورتر

20

2-5- مشکلات روش DTC کلاسیک تغذیه شده با باتری (ولتاژ DC ثابت)

25

2-6- پیل سوختی

25

2-7- روشهای کاهش ریپل گشتاور در روش DTC

30

2-8- انواع مبدلهای مورد استفاده برای درایو موتور القایی

32

2-9- تلفات در موتور القایی

44

2-10- هیبریدسازی

46

2-10-1- ویژگی انواع باتریها

47

2-10-2- ویژگیهای ابرخازن

50

2-11- جمع‏بندی

51

فصل سوم: روشها و مدلهای مورد نیاز در رساله

53

3-1- مقدمه

54

3-2- مدل دینامیکی پیشنهادی پیل سوختی

54

3-3- مدل باتری

58

3-4- مدل ابرخازن

59

3-5- نیروهای وارده به خودرو

59

3-6- سیکلهای رانندگی استاندارد

61

3-7- کاهش ریپل گشتاور

62

2-8- جمع‏بندی

64

فصل چهارم: شبیه سازی روشهای پیشنهادی و تحلیل نتایج آنها

65

4-1- مقدمه

66

4-2- شبیهسازی DTC کلاسیک

66

4-3- آنالیز حساسیت عملکرد DTC به تغییر پارامترهای اساسی

69

4-4- کاهش تعداد سنسورهای مورد استفاده

74

4-5- شبیه سازی پیل سوختی

78

4-6- طرح مدولار پیشنهادی برای بهبود عملکرد پیل سوختی

88

4-7- ایده پیشنهادی برای بهبود همزمان افت شار و ولتاژ مد مشترک

93

4-8- ساختار پیشنهادی برای کنترل همزمان دو موتور القایی توسط یک اینورتر مشترک

96

4-9- استراتژی پیشنهادی جدید برای بهبود کنترل مستقیم گشتاور موتور القایی

110

4-10- اثر انتخاب ذخیرهساز بر کیفیت عملکرد خودرو پیل سوختی و مصرف هیدروژن آن

117

4-11- جمعبندی

124

فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات

125

5-1- نتیجه گیری

126

5-2- پیشنهادات برای پژوهشهای آتی

130

مراجع و منابع

131

فهرست جدول‏ها

عنوان جدول

صفحه

جدول(2-1) روشهای انتخاب بردارهای ولتاژ در سيستم DTC با هيسترزيس دو سطحی گشتاور

21

جدول(2-2) انتخاب بردارهای ولتاژ اينورتر با مقايسه‌گر هيسترزيس سه سطحی گشتاور

21

جدول(2-3) تعيين موقعيت بردار فضايي شار پيوندی استاتور

22

جدول(2-4) دسته بندی انواع پیل‏های سوختی

26

جدول(3-1) مقايسه عملکرد روش‏هاي مختلف مدلسازي باتري

58

جدول(4-1) بررسی تاثیر تغییرات ولتاژ DC بر عملکرد روش DTC

70

جدول(4-2) تاثیر تغییرات مقاومت استاتور بر ریپل سرعت، جریان موتور و ریپل گشتاور مرجع موتور

73

جدول(4-3) محاسبه مقدار جریانهای هر یک از فازهای موتور براساس جریان DC و وضعیت کلیدها

75

جدول(4-4) مقایسه مدل پیشنهادی پیل سوختی با مدلهای ذکر شده در مراجع

87

جدول(4-5) مقدار ولتاژ مد مشترک به ازای انتخاب بردارهای ولتاژ مختلف

94

جدول(4-6) بردارهای ولتاژ در نواحی 12گانه برای کاهش ولتاژ مد مشترک

95

جدول(4-7): وضعيت کليدها براي انتخاب بردارهاي فعال

101

جدول(4-8): بردارهاي ولتاژ قابل انتخاب

102

جدول(4-9): مقايسه پاسخ گشتاور طرح DTC پيشنهادي با مراجع

108

جدول(4-10): مقايسه روش‏هاي مختلف ايجاد ST

110

جدول(4-11) میزان مصرف و بازده الکتریکی در حالت توان ثابت پیل سوختی برای سیکل NYCCDS

123

جدول(4-12) میزان مصرف و بازده الکتریکی در حالت توان متغیر پیل سوختی برای سیکل NYCCDS

123

جدول(4-13) میزان مصرف و بازده الکتریکی در حالت توان ثابت پیل سوختی برای سیکل UDDS

124

جدول(4-14) میزان مصرف و بازده الکتریکی در حالت توان متغیر پیل سوختی برای سیکل UDDS

124

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل‏ها

عنوان شکل

صفحه

شکل(2-1) دسته‏بندی انواع روش‏های کنترل سرعت موتور القایی با استفاده از کنترل فرکانس

9

شكل (2-2) بردارهاي فضايي جريان استاتور، شار پيوندي استاتور و روتور

14

شکل (2-3) اينورتر ولتاژ سه‌فاز و مدل مربوط به کليدها

16

شكل(2-4) حالتهای کليدزنی

16

شکل(2-5) بردارهاي ولتاژ کليدزنی اينورتر

17

شكل(2-6) مكان هندسي بردار فضايي شار استاتور و بردارهاي كليدزني اينورتر

19

شكل(2-7) مقايسه‌گر هيسترزيس دو سطحی شار استاتور

20

شكل(2-8)  مقايسه‌گر هيسترزيس سه سطحی گشتاور

20

شكل(2-9) بلوک دياگرام سيستمDTC کلاسيک موتور القايي

24

شکل (2-10) مقاومت ویژه لایه الکترولیت بر حسب دما و چگالی جریان

27

شکل(2-11) منحنی نایکویست امپدانس پیل سوختی به ازای جریان‏های با دامنه مختلف

28

شکل(2-12) مدل ac پیل سوختی

28

شکل(2-13) مدل مداری پیل سوختی

29

شکل(2-14) کنترل چرخه کاری کلیدها در روش DTC

30

شکل(2-15) تاثیر فرکانس کلیدزنی ثابت بر ریپل گشتاور

31

شکل(2-16) تنظیم چرخه‏کاری کلیدها با استفاده از الگوریتم فاز

31

شکل(2-17) تزریق سیگنال حامل برای کنترل گشتاور

31

شکل(2-18) اینورتر منبع ولتاژ

33

شکل(2-19) اینورتر منبع جریان

34

شکل(2-20) مبدل منبع امپدانسی برای اتصال پیل سوختی به شبکه سه‏فاز

34

شکل(2-21) مدار معادل مبدل امپدانسی از دید سمت dc

35

شکل(2-22) مدار معادل مبدل امپدانسی در حالت‏های 8 گانه

35

شکل(2-23) مدار معادل مبدل امپدانسی در شرایط اتصال کوتاه سمت dc

35

شکل(2-24) سیگنال‏‏های کلیدزنی روش کنترل ساده مبدل امپدانسی

38

شکل(2-25) سیگنال‏‏های کلیدزنی روش کنترل افزایش حداکثر مبدل امپدانسی

39

شکل(2-26) سیگنال‏‏های کلیدزنی روش کنترل افزایش ثابت حداکثر مبدل امپدانسی

39

شکل(2-27) میزان استرس ولتاژ کلیدها را برحسب میزان افزایندگی ولتاژ مبدل امپدانسی

40

شکل(2-28) مبدل امپدانسی تغذیه شده توسط پیل سوختی و باتری برای درایو موتور القایی

41

شکل(2-29) استفاده از بار RL و منبع dc به جای پیل سوختی

41

شکل(2-30) درایو دو بار سه فاز توسط یک منبع تغذیه با استفاده از دو اینورتر

42

شکل(2-31) اینورتر 9 کلیدی یک ورودی- دو خروجی

43

شکل(2-32) اینورتر امپدانسی 9 کلیدی یک ورودی- دو خروجی

43

شکل(2-33) مدل ابرخازن

51

شکل(3-1) مدل دینامیکی پیل سوختی پیاده‏سازی شده در محیط MATLAB/SIMULINK

57

شکل(3-2) مدل مداری پیل سوختی

57

شکل(3-3) مدل ترکیبی برای باتري

58

شکل(3-4) مدل ابرخازن

59

شکل(3-5) نيروهاي وارده بر خودرو

60

شکل(3-6) منحنی استاندارد سیکل NYCC

61

شکل(3-7) منحنی استاندارد سیکل UN/ECE

62

شکل(4-1) ساختار DTC کلاسیک شبیهسازی شده

66

شکل(4-2) منحنی جریان یکی از فازهای موتور القایی سه‏فاز در DTC کلاسیک

67

شکل(4-3) منحنی سرعت موتور القایی در DTC کلاسیک

67

شکل(4-4) منحنی گشتاور موتور القایی در DTC کلاسیک

68

شکل(4-5) منحنی شار استاتور موتور القایی در DTC کلاسیک 6 ناحیهای شار

68

شکل(4-6) تغییرات ریپل گشتاور به ازای تغییرات ولتاژ DC

71

شکل(4-7) تغییرات ریپل سرعت موتور به ازای تغییرات ولتاژ DC

71

شکل(4-8) تغییرات ریپل شار استاتور به ازای تغییرات ولتاژ DC

71

شکل(4-9) تغییرات فرکانس کلیدزنی اینورتر به ازای تغییرات ولتاژ DC

72

شکل(4-10) تغییرات ریپل سرعت موتور بر حسب تغییرات مقاومت استاتور

73

شکل(4-11) تغییرات دامنه جریان استاتور موتور بر حسب تغییرات مقاومت استاتور

73

شکل(4-12) تغییرات ریپل گشتاور مرجع بر حسب تغییرات مقاومت استاتور

74

شکل(4-13) جریانهای اندازهگیری شده و محاسبه شده دو فاز موتور القایی در روش DTC

75

شکل(4-14) منحنی سرعت مرجع، سرعت مرجع اصلاح شده با شیب 2000، سرعت اندازهگیری شده

77

شکل(4-15) منحنی سرعت مرجع، سرعت مرجع اصلاح شده با شیب 4000، سرعت اندازهگیری شده

77

شکل(4-16) مدار معادل الکتریکی پیل سوختی

78

شکل(4-17) شماتیک مدار معادل پیل سوختی پیادهسازی شده در محیط نرم‏افزار

79

شکل(4-18) منحني تغييرات مقاومت لايه غشاء به ازايΨ=14

80

شکل(4-19) منحني تغييرات مقاومت لايه غشاء به ازاي Ψ=20

80

شکل(4-20) منحني تغييرات مقاومت لايه غشاء به ازايΨ=23

81

شکل(4-21) تاثير نغييرات دما بر منحني پلاريزاسيون و توان پيل سوختي

82

شکل(4-22) منحنی تغییرات توان پیل سوختی بر حسب زمان برای بار متغیر پلهای

84

شکل(4-23) منحنی توان پیل سوختی با تغییر فشار گاز هیدروژن

85

شکل(4-24) منحنی توان پیل سوختی با تغییر فشار گاز اکسیژن

85

شکل(4-25) ولتاژ خروجی پیل سوختی با تغییرات بار برحسب زمان و اثر تغییر دما

86

شکل (4-26) منحنی تغییرات ولتاژ پیل سوختی برحسب زمان به ازای تغییرات جریان

87

شکل (4-27) منحنی تغییرات توان پیل سوختی برحسب زمان به ازای تغییرات جریان

87

شکل(4-28) طرح مدولار پیشنهادی برای پیل سوختی در درایو موتور القایی به روش DTC

91

شکل(4-29) جریان موتور القایی تغذیه شده با پیل سوختی مدولار

92

شکل(4-30) سرعت موتور القایی تغذیه شده با پیل سوختی مدولار

92

شکل(4-31) گشتاور موتور القایی تغذیه شده با پیل سوختی مدولار

92

شکل(4-32) منحنی دایرهای شار موتور القایی تغذیه شده با پیل سوختی مدولار

93

شکل(4-33) منحنی شار استاتور موتور القایی در روش DTC کلاسیک

95

شکل(4-34) منحنی شار استاتور موتور القایی در روش DTC بهبود یافته برای کاهش ولتاژ مد مشترک

96

شکل(4-35) منحنی گشتاور موتور القایی در روش DTC بهبود یافته برای کاهش ولتاژ مد مشترک

96

شکل(4-36): ساختار منابع خودرو هيبريد پيشنهادي

97

شکل(4-37) بلوک دیاگرام نحوه مشارکت منابع در تامين توان مورد نياز بار

98

شکل(4-38) ساختار مبدل پيشنهادي براي خودرو هيبريد پيل سوختي

99

شکل(4-39): دياگرام روش DTC بهبود يافته پيشنهادي برای اینورتر 9 کلیدی

103

شکل(4-40): منحني سرعت خودرو به همراه سيکل NYCCDS

104

شکل(4-41): منحني دايره‏اي شار براي سيکل رانندگي استاندارد NYCCDS

104

شکل(4-42): منحني تغييرات سرعت موتورهاي خودرو در هنگام طی کردن پيچهای مسیر حرکت

105

شکل(4-43): پاسخ پله گشتاور با استفاده از DTC کلاسيک

106

شکل(4-44): پاسخ پله گشتاور با استفاده از روش کاهش ريپل

106

شکل(4-45) سرعت پاسخ پله گشتاور با استفاده از روش کاهش ريپل (لحظه تغییر پلهای گشتاور)

107

شکل(4-46): پاسخ پله گشتاور با استفاده از روش DTC تکميلي

107

شکل(4-47): کليدهاي اينورتر به همراه کليد جديد

108

شکل(4-48): مدل مقاومتي کليدها در هنگام ST

110

شکل(4-49) بردار ولتاژ برای حداکثر سرعت پاسخ‏دهی گشتاور در نقطهای روی دایره بیرونی

111

شکل(4-50) ساختار اینورتر پیشنهادی برای بهبود عملکرد DTC

113

شکل(4-51) بردارهای فضایی ممکنه اینورتر پیشنهادی برای بهبود عملکرد DTC

114

شکل(4-52) ارتباط بین اجزای مختلف خودرو

115

شکل(4-53) منحنی گشتاور موتور القایی در حالت کلاسیک

116

شکل(4-54) منحنی گشتاور موتور القایی با استفاده از اینورتر پیشنهادی

116

شکل(4-55) منحنی دایره ای شار با استفاده از اینورتر پیشنهاد شده

116

شکل(4-56) منحنی سرعت خودرو در طی نمودن سیکل NYCCDS

117

شکل(4-57) منحنی حالت شارژ باتری

118

شکل(4-58) منحنی توان ورودی موتور القایی خودرو

119

شکل(4-59) منحنی تلفات موتور القایی خودرو

119

شکل(4-60) منحنی توان باتری

119

شکل(4-61) منحنی تلفات توان باتری

120

شکل(4-62) منحنی مسافت طی شده خودرو برحسب زمان

120

شکل(4-63) منحنی توان پیل سوختی

121

شکل(4-64) منحنی نرخ مصرف سوخت هیدروژن توسط پیل سوختی

121

شکل(4-65) منحنی مقدار سوخت مصرف شده در طی مدت سیکل NYCCDS

122

شکل(4-66) منحنی بازده پیل سوختی

122

فهرست اختصارات

CSI

Current Source Inverter

DTC

Direct Torque Control

EV

Electrical Vehicle

FC

Fuel Cell

FCHEV

Fuel Cell Hybrid Electrical Vehicle

FOC

Field Oriented Control

HEV

Hybrid Electrical Vehicle

IM

Induction Motor

Li-Ion

Lithium-Ion

MARS

Model Reference Adaptive System

MPPT

Maximum Power Point Tracking

NiMH

Nickel-Metal-Hydride

NYCCDS

New York City Cycle Driving Schedule

PEMFC

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

PWM

Pulse Wide Modulation

SOC

State Of Charge

ST

Shoot Through

SVPWM

Space Vector Pulse Wide Modulation

UC

Ultra Capacitor

VSI

Voltage Source Inverter

ZSI

Z-Source Inverter

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo