Bidirectional Bus Transfer Method for Induction Motors Between Inverter and Grid By Correcting Control References Using Discrete Fourier Transformation
Subject Areas : electrical and computer engineering
Alireza Lahooti Eshkevari
1
*
,
Ali Keshavarzian
2
,
Iman Abdoli
3
,
Mohammad Farzi
4
,
Seyed Mohammadreza Zeinalhosseini
5
1 -
2 - Iranian Research Institute for Electrical Engineering
3 - Iranian Research Institute for Electrical Engineering
4 - Iranian Research Institute for Electrical Engineering
5 - Iranian Research Institute for Electrical Engineering
Keywords: Motor bus-transfer, variable speed drive, induction motor, synchronization,
Abstract :
This paper presents a new method for bidirectional bus-transfer of an induction motor, between the inverter and the grid, based on discrete Fourier transform. In this method, without affecting the motor control strategy and only by correcting the amplitude and frequency references (or by correcting the flux and torque references), the phase, amplitude, and frequency of the output waveform of the inverter are synchronized with the grid. It enables changing the source of a motor without interruption. Due to the extraction of the fundamental component of the waveforms of both sources, this method is robust against to noises, DC pollution and harmonics. Due to eliminating proportional-integral controllers in determining each of these parameters, there is no need to adjust their coefficients . Also, due to the high accuracy of synchronization, instantaneous parallelization of voltage sources is realized without the need for additional devices. The maximum circulating current caused by parallelization in the worst cases is limited to less than 1.5 times the rated current of the motor. This article, while presenting the proposed method in detail and comparing it with some previous methods, uses laboratory results to evaluate its achievements. Experimental results confirm the above achievements.
[1] T. R. Beckwith and W. G. Hartmann, "Motor bus transfer: considerations and methods," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 42, no. 2, pp. 602-611, 2006.
[2] P. K. Muralimanohar, D. Haas, J. R. McClanahan, R. T. Jagaduri, and S. Singletary, "Implementation of a Microprocessor-Based Motor Bus Transfer Scheme," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 54, no. 4, pp. 4001-4008, 2018.
[3] M. V. V. S. Yalla, A. Vakili, and T. R. Beckwith, "Calculation of Transient Torques on Motors During a Residual Voltage Motor Bus Transfer," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 56, no. 6, pp. 6104-6116, 2020.
[4] X. Guo, W. Wu, and Z. Chen, "Multiple-complex coefficient-filter-based phase-locked loop and synchronization technique for three-phase grid-interfaced converters in distributed utility networks," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 4, pp. 1194-1204, 2010.
[5] S. Golestan, M. Monfared, and F. D. Freijedo, "Design-oriented study of advanced synchronous reference frame phase-locked loops," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 2, pp. 765-778, 2012.
[6] A. A. Ahmad, M. Pichan, and A. Abrishamifar, "A new simple structure PLL for both single and three phase applications," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 74, pp. 118-125, 2016.
[7] B. Misra and B. Nayak, "Second order generalized integrator based synchronization technique for polluted grid conditions," in 2nd International Conference for Convergence in Technology (I2CT), 2017: IEEE, pp. 1080-1084.
[8] Q. Yan, R. Zhao, X. Yuan, W. Ma, and J. He, "A DSOGI-FLL-Based Dead-Time Elimination PWM for Three-Phase Power Converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 3, pp. 2805-2818, 2019.
[9] S. Golestan, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "Hybrid Adaptive/Nonadaptive Delayed Signal Cancellation-Based Phase-Locked Loop," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 1, pp. 470-479, 2017.
[10] S. Golestan, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "Steady-state linear Kalman filter-based PLLs for power applications: A second look," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 65, no. 12, pp. 9795-9800, 2018.
[11] T. Binkowski, "Fuzzy Logic Grid Synchronization Technique for Single-Phase Systems," in 2018 Progress in Applied Electrical Engineering (PAEE), 2018: IEEE, pp. 1-5.
[12] S. Golestan, J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, A. M. Abusorrah, and Y. Al-Turki, "All-Pass-Filter-Based PLL Systems: Linear Modeling, Analysis, and Comparative Evaluation," IEEE Trans. Power Electron., vol. 35, no. 4, pp. 3558-3572, 2020.
[13] A. Ranjan, S. Kewat, and B. Singh, "DSOGI-PLL With In-Loop Filter Based Solar Grid Interfaced System for Alleviating Power Quality Problems," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 57, no. 1, pp. 730-740, 2021.
[14] Z. Zhang et al., "An Adaptive Enhanced Complex-Coefficient Filter-Based PLL in Variable Frequency Grid," IEEE Trans. Power Electron., vol. 39, no. 4, pp. 3950-3955, 2024.
[15] F. Sevilmiş, H. Karaca, and H. Ahmed, "High-Order Delayed Signal Cancellation-Based PLL Under Harmonically Distorted Grid Voltages," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 72, pp. 1-9, 2023.
[16] X. M. Jia and S. S. Choi, "Design of Volts per Hertz limiter with consideration of the under-excitation limiter control actions," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 16, no. 2, pp. 140-147, 2001.
[17] L. Xiong et al., "Virtual Field-Orientated Control for Doubly Salient Electromagnetic Machine with Torque Ripple Reduction," IEEE Trans. Power Electron., vol. 39, no. 1, pp. 1378-1393, 2024.
[18] N. Beniwal, I. Hussain, and B. Singh, "Vector-Based Synchronization Method for Grid Integration of Solar PV-Battery System," IEEE Trans. Ind. Inf., vol. 15, no. 9, pp. 4923-4933, 2019.
208 نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 22، شماره 3، پاییز 1403
مقاله پژوهشی
انتقال بدون وقفه دوطرفه موتور القایی میان اینورتر و شبکه برق با تصحیح مراجع کنترلی به کمک روش مبتنی بر تبدیل فوریه گسسته
علیرضا لاهوتی اشکوری، علی کشاورزیان، ایمان عبدلی، محمد فرزی و محمدرضا زینالالحسینی
چکیده: این مقاله، یک روش جدید برای فراهمکردن امکان تغییر دوطرفه منبع تغذیه یک موتور القایی، میان اینورتر و شبکه برق بر پایه تبدیل فوریه گسسته ارائه میکند. در این الگو بدون تغییر در روش کنترل موتور و صرفاً با تصحیح مراجع مربوط به دامنه و بسامد (و یا با تصحیح مراجع شار و گشتاور بسته به روش کنترل)، شکل موج خروجی اینورتر متصل به موتور، همفاز، همدامنه و همبسامد با شبکه برق شده و امکان تغییر منبع تغذیه موتور بدون وقفه فراهم میشود. بهدلیل استخراج مؤلفه اصلی شکل موجهای هر دو منبع برای تشخیص دامنه، بسامد و فاز، این روش در مقابل مؤلفههای مزاحم، DC و هارمونیکها مقاوم است. بهدلیل عدم استفاده از کنترلکنندههای تناسبی- انتگرالی در تعیین هر یک از مشخصهها دیگر نیازی به تنظیم دشوار ضرایب آنها نیست. همچنین به خاطر دقت بالای همزمانسازی، موازیسازی لحظهای منابع ولتاژ بدون نیاز به ادوات اضافه (سلف یا ترانسفورماتور) انجام شده و حداکثر جریان هجومی ناشی از موازیسازی در بدترین شرایط به کمتر از 5/1 برابر جریان نامی موتور محدود میگردد. این مقاله ضمن ارائه دقیق اصول روش پیشنهادی و مقایسه آن با برخی از الگوهای پیشین، از نتایج آزمایشگاهی برای ارزیابی دستاوردهای آن استفاده مینماید. نتایج تجربی، دستاوردهای فوق را تأیید میکنند.
کلیدواژه: انتقال دوطرفه، کنترل دور موتور، تشخیص فاز، موتور القایی، تغییر منبع تغذیه، همگامسازی.
1- مقدمه
انتقال همزمان دوطرفه یک موتور الکتریکی، فرایندی است که در آن امکان تغییر منبع تغذیه موتور بین دو شبکه (شبکه اصلی و پشتیبان) و بدون وقفه در عملکرد موتور بهصورت برگشتپذیر فراهم میشود. تلاش برای رفع خطا و عملیات تعمیرات و نگهداری در هر یک از شبکهها و فرایندهایی که حفظ پیوستگی آن اهمیت دارد، مانند صنایع فلزی، معدنی، انتقال آب و پتروشیمی از کاربردهای این روش است [1]. برخلاف روش
شکل 1: نمودار تکخطی راهاندازی و انتقال بدون وقفه چهار موتور الکتریکی از سامانه کنترل دور به شبکه و بالعکس.
سنتی قطع و راهاندازی مجدد با شبکه جدید، روش انتقال بدون وقفه دوطرفه امکان تغییر تغذیه یک مصرفکننده الکتریکی را بدون وقفه در تأمین توان الکتریکی برای آن فراهم میکند. این روش قابلیتی مفید برای سایر کاربردهای مبتنی بر سامانههای کنترل دور موتورهای الکتریکی نیز است [2].
شکل 1 نمودار تکخطی طرحی را نشان میدهد که در آن چهار موتور الکتریکی، بلافاصه پس از راهاندازی و رسیدن به بسامدی برابر با بسامد شبکه بهطور مستقیم به شبکه متصل میشوند. یک راهکار، استفاده از چهار راهانداز نرم مستقل برای هر یک از موتورها است. این راه حل، اقتصادی نبوده و از سوی دیگر، امکان توقف نرم موتورها نیز میسر نیست. میتوان با استفاده از یک سامانه کنترل دور مجهز به قابلیت انتقال همزمان دوطرفه، هر یک از چهار موتور را بهترتیب راهاندازی کرده و پس از همگامسازی دامنه، بسامد و فاز ولتاژ استاتور هر یک با شبکه برق، تغذیه آنها را به شبکه منتقل کرد. همچنین با این طرح میتوان برای توقف نرم موتور الکتریکی نیز تغذیه هر یک را از شبکه به سامانه درایو منتقل کرده و آن را با شتابی مشخص متوقف کرد.
چالش اصلی انتقال بدون وقفه یک موتور الکتریکی آن است که در صورت رخداد وقفه اندک در جابهجایی منابع، سرعت موتور کاهش یافته و این انتقال با تنش الکتریکی و مکانیکی به موتور و شبکه همراه میشود. برای حل این مشکل، نیازمند موازیسازی دو منبع ولتاژ در یک لحظه کوتاه هستیم که در روشهای قدیمی عمدتاً به کمک یک اندوکتانس
شکل 2: نمودار روش ارائهشده.
اضافی (برای محدودکردن جریانهای گردشی ناشی از انتقال) انجام میشد (مثلاً با استفاده از اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور) [3]. بهدلیل شباهت روش انتقال بدون وقفه دوطرفه به نحوه همگامسازی اینورترهای متصل به شبکه، الگوهایی نظیر فیلتر با ضرایب چندگانه [4]، حلقه قفلشده فاز مبتنی بر قاب مرجع گردان [5]، حلقه قفلشده فاز مبتنی بر نوسانساز کنترلشده با ولتاژ [6]، انتگرالگیر مرتبه دوم پیوسته و گسسته [7] و [8]، روش تشخیص فاز مبتنی بر فیلتر حذف سیگنال تأخیر [9]، فیلتر کالمن خطی [10]، منطق فازی [11]، فیلتر همهگذر [12]، انتگرالگیر مرتبه دوم گسسته با حلقه کنترل داخلی [13]، فیلتر با ضرایب چندگانه پیشرفته [14] و روش تشخیص فاز مبتنی بر فیلتر حذف سیگنال تأخیر مراتب بالاتر [15] ارائه شده که در تشخیص فاز و بسامد ولتاژ شبکه بهدقت عمل میکنند. اما این روشها فاقد حلقه قفلشده دامنه بوده و آلودهبودن ولتاژ شبکه به ولتاژ DC و انواع هارمونیکها سبب کاهش دقت تخمین آنها میشود. با اضافهنمودن حلقه قفلشده دامنه به هر یک، بار محاسباتی آنها افزوده میشود. همچنین این روشها (بهویژه روشهای مبتنی بر فیلتر) بار محاسباتی بالایی دارند و اغلب دارای کنترلکنندههای تناسبی- انتگرالی هستند که تنظیم ضرایب آنها برای داشتن پاسخ دقیق بسیار دشوار است؛ در حالی که روش انتقال بدون وقفه دوطرفه باید بهعنوان یک قابلیت جانبی در کنار الگوی اصلی کنترل موتور الکتریکی نظیر اسکالر و برداری [16] و [17] کار کند و در عملکرد عادی آن (از جمله سرعت محاسبات، مدولاسیون، حفاظتهای داخلی و ارتباطات) تأثیر منفی نگذارد. بنابراین در هر یک از روشهای یادشده نیازمند ادوات مغناطیسی اضافه نظیر سلف و ترانسفورماتور برای پیادهسازی انتقال بدون وقفه خواهیم بود که هزینه طرح را بهطور قابل توجهی میافزاید.
در این مقاله، روشی جدید برای فراهمکردن امکان تغییر دوطرفه منبع تغذیه یک موتور القایی، میان اینورتر و شبکه برق (طرح شکل 1) بر پایه تبدیل فوریه گسسته ارائه میشود. این الگو بدون تغییر در روش کنترل موتور، تنها با تصحیح مراجع مربوط به دامنه و بسامد در روشهای کنترل موتور اسکالر و یا با تصحیح مراجع شار و گشتاور در روشهای کنترل دور برداری، شکل موج خروجی اینورتر متصل به موتور را از لحاظ فاز، دامنه
و بسامد با شبکه برق همگام میکند. با استخراج مؤلفه اصلی شکل موجهای هر دو منبع برای تشخیص دامنه، بسامد و فاز، این روش در مقابل مؤلفههای مزاحم، DC و هارمونیکها مقاوم است و چون از کنترلکنندههای تناسبی- انتگرالی در تعیین هر یک از مشخصههای فوق استفاده نشده است، نیازی به تنظیم دشوار ضرایب این کنترلکنندهها نیست. علاوه بر این بهجهت دقت بالای همگامسازی، موازیسازی لحظهای منابع ولتاژ بدون نیاز به ادوات مغناطیسی اضافه (نظیر سلف یا ترانسفورماتور) محقق شده و حداکثر جریان گردشی احتمالی ناشی از موازیسازی در بدترین شرایط تخمین به کمتر از 5/1 برابر جریان نامی موتور محدود میگردد که در محدوده عملکرد عادی یک سامانه کنترل دور موتور الکتریکی است. در این مقاله، ضمن ارائه دقیق اصول روش پیشنهادی و مقایسه آن با برخی از الگوهای پیشین در بخش دوم، از نتایج آزمایشگاهی برای ارزیابی دستاوردهای آن در بخش سوم استفاده میشود. نتایج تجربی دستاوردهای فوق را تأیید میکنند.
2- اصول عملکرد روش ارائهشده
2-1 تبدیل فوریه گسسته
تبدیل فوریه گسسته به عنوان یک نظریه ریاضی مهم در تبدیلات گسسته شناخته میشود که در تحلیل فوریه بهکار میرود. این تبدیل، یک شکل موج نمونهبرداریشده با دوره نمونهبرداری یکسان را به دنبالهای از مؤلفههای بسامدی تبدیل میکند که هر یک نماینده یک مؤلفه بسامدی با دامنهای معلوم است. لذا به کمک تبدیل فوریه گسسته میتوان تمامی مؤلفههای بسامدی یک شکل موج را تا نرخ نایکوئیست یافت. طبق تعریف، تبدیل فوریه گسسته یک شکل موج با 
نمونه برداشتهشده در هر تناوب بهصورت 
برابر است با
(1)
که در آن 
همان تبدیل فوریه گسسته 
است. با استفاده از رابطه اویلر، شکل دیگر (1) به صورت (2) است. همچنین تبدیل فوریه گسسته تبدیلی خطی و معکوسپذیر است که معکوس آن در (3) ارائه شده است
(2)
(3)
به کمک این تبدیل میتوان مؤلفه اصلی همبسامد با بسامد شبکه را استخراج نمود و بر اساس آن دامنه و فاز را نیز یافت. اصول روش انتقال بدون وقفه دوطرفه ارائهشده در این مقاله بر پایه این نظریه ریاضی است.
2-2 اصول روش انتقال بدون وقفه دوطرفه
مطابق شکل 1، چهار موتور سهفاز به کمک دو کنتاکتور (یکی برای اتصال شبکه به آن و دیگری برای اتصال سامانه کنترل دور به موتور) در نظر گرفته شده است. برای راهاندازی نرم هر یک از موتورها (بهعنوان نمونه موتور 
)، کنتاکتور مربوط به اینورتر آن در حالی وصل میشود که کنتاکتور متصلکننده به شبکه قطع است. ولتاژ خط شبکه 
و ولتاژ خط اینورتر 
نمونهبرداری میشود. برای حذف مؤلفههای فرکانسبالای شکل موج نمونهبرداریشده از ولتاژ اینورتر و شبکه میتوان از یک فیلتر پایینگذر استفاده نمود. جریان خروجی اینورتر 
نیز برای مقاصد حفاظتی و کنترلی در انتقال بدون وقفه دوطرفه نمونهبرداری میشود. شکل 2 نمودار روش ارائهشده و نحوه اضافهشدن آن به روش کنترل اسکالر موتور القایی را نشان میدهد. نمونههای ولتاژ خط شبکه و
شکل 3: برنامه تبدیل بسامد به فاز.
ولتاژ خط اینورتر به دو بلوک تبدیل فوریه گسسته داده میشود تا دامنه و فاز هر یک استخراج گردد. برای محاسبه دامنه و فاز از (4) استفاده میشود
(4)
که در آن 
و 
از رابطه تبدیل فوریه (5) محاسبه میگردد
(5)
برای محاسبه بسامد ولتاژ شبکه از روی فاز محاسبهشده از برنامه واسط 
مطابق شکل 3 استفاده شده که در آن 
زمان نمونهبرداری و 
برابر با نسبت به 
است که ثابت زمانی فیلتر است. بسامد محاسبهشده، بسامد ولتاژ شبکه است که به عنوان بسامد مرجع به روش کنترل اسکالر داده شده و با رعایت اصل ثبات نسبت ولتاژ- بسامد برای یک موتور القایی، اندیس مدولاسیون نیز محاسبه میشود. دامنه و فاز محاسبهشده برای شکل موج ولتاژ شبکه به عنوان مرجع در نظر گرفته شده و با دامنه و فاز محاسبهشده برای ولتاژ اینورتر مقایسه میگردد. از آنجا که باید ولتاژ خروجی اینورتر برای انتقال بدون وقفه دوطرفه با ولتاژ شبکه از دیدگاه دامنه، فاز و بسامد همگام شود، خطای مقایسه مذکور باید صفر گردد. برای صفرشدن خطا از اندیس مدولاسیون دامنه و بسامد اینورتر استفاده میشود. بهمنظور الحاق روش ارائهشده به روش کنترل موتور، خروجی خطای محاسبهشده به دو کنترلکننده تناسبی- انتگرالی داده میشود. شایان ذکر است که این دو کنترلکننده، جزء روش تخمین دامنه، فاز و بسامد ارائهشده نیست و صرفاً جهت الحاق این روش به هر نوع روش کنترل دور موتور استفاده شده است. کنترلکننده فاز، موج تصحیحکننده مرجع بسامد را و کنترلکننده دامنه موج، تصحیحکننده اندیس مدولاسیون دامنه را میسازد.
تبدیل فوریه گسسته بار محاسباتی را کاهش میدهد؛ اما یک روش مبتنی بر حافظه است. در حالت عادی آرایههای از پیش تعیینشده برای توابع سینوس و کسینوس با 
نمونه برای موجی با نمونه برداشتهشده لازم است. در روش پیادهسازیشده بهجای استفاده از فضای حافظه برای توابع سینوس و کسینوس، از یک آرایه سینوس از
جدول 1: تبدیلات مثلثاتی.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
پیش تعریفشده با ربع تناوب به همراه جدول 1 استفاده شده است؛ بنابراین استفاده از فضای حافظه به شکل قابل توجهی بهبود یافته است.
شایان ذکر است که روش ارائهشده تأثیری در عملکرد عادی کنترل دور موتور نداشته و بنابراین بر روی مشخصات گشتاور، شار و هارمونیکی جریان در حالت عادی کنترل دور موتور تأثیری ندارد. بنابراین این روش با اضافهشدن به روش کنترل دور موتور الکتریکی، قابلیت انتقال موتور به شبکه از اینورتر و تحویل آن از شبکه به اینورتر را فراهم میکند. در شرایط عادی برای کنترل موتور از بسامد مرجع خارجی مطابق شکل 2 استفاده میشود؛ اما در هنگام همگامسازی، بسامد مرجع از روی فاز ولتاژ شبکه تعیین میشود. شکلهای 4- الف و 4- ب شیوههای ادغام این روش به روش کنترل برداری موتور الکتریکی و روش اسکالر حلقه بسته را نشان میدهند. در روش کنترل برداری، کافیست مراجع تصحیحکننده دامنه و بسامد 
و 
به ترتیب مرجع شار 
و مرجع گشتاور 
را تصحیح کنند. در روش کنترل اسکالر حلقه بسته، مراجع تصحیحکننده همانند شکل 2 برای اصلاح اندیس مدولاسیون دامنه و مرجع بسامد به خدمت گرفته میشوند.
2-3 شرایط انتقال بدون وقفه دوطرفه
2-3-1 انتقال موتور از سامانه کنترل دور به شبکه
برای انتقال موتور الکتریکی به شبکه، ابتدا سامانه کنترل دور موتور با تشخیص برخط بسامد شبکه و با استفاده از روش کنترلی (در اینجا روش اسکالر تشریح شده است) اقدام به راهاندازی موتور و رساندن آن به سرعت نامی میکند. سپس با استفاده از روش ارائهشده با تصحیح اندیسهای مدولاسیون دامنه و بسامد اقدام به همگامسازی دامنه، بسامد و فاز شکل موج ولتاژ اعمالی به استاتور موتور با شبکه برق مینماید. هنگامی که خطای دامنه و فاز به کمتر از مقادیر از پیش تعیینشده برسد، مطابق شکل 2، کنتاکتور 
را نیز وصل میکند. در این شرایط موتور الکتریکی همزمان دو منبع ولتاژ را میبیند که به واسطه یکسانبودن مشخصات الکتریکی آنها انتظار میرود هر یک نیمی از توان مورد نیاز موتور را به صورت لحظهای تأمین کنند. پس از گذشت لحظهای کوتاه از این موازیسازی، فرمان قطع کنتاکتور 
صادر میشود و در نتیجه انتقال بدون وقفه از سامانه کنترل دور موتور به شبکه تکمیل میشود. سامانه کنترل دور نیز به حالت آماده به کار تغییر وضعیت میدهد.
2-3-2 انتقال موتور از شبکه به سامانه کنترل دور
برای انتقال موتور الکتریکی از شبکه به سامانه کنترل دور موتور با هدف کنترل سرعت و گشتاور و یا توقف نرم، ابتدا در حالی که کنتاکتورهای روشن و خاموش است، سامانه کنترل دور از حالت آماده به کار خارج شده و با استفاده از روش ارائهشده، ولتاژی همگام با شبکه برق از دیدگاه دامنه، بسامد و فاز تولید میکند. هنگامی که خطای
(الف)
(ب)
[1] این مقاله در تاریخ 5 اردیبهشت ماه 1403 دریافت و در تاریخ 27 شهریور ماه 1403 بازنگری شد.
علیرضا لاهوتی اشکوری (نویسنده مسئول)، پژوهشکده برق، سازمان جهاد دانشگاهی علم و صنعت، تهران، ايران، (email: a_lahootieshkevari@sbu.ac.ir).
علي کشاورزیان، پژوهشکده برق، سازمان جهاد دانشگاهی علم و صنعت، تهران، ايران، (email: a.keshavarzian@ut.ac.ir).
ایمان عبدلی، پژوهشکده برق، سازمان جهاد دانشگاهی علم و صنعت، تهران، ايران،
(email: i_abdoli@sbu.ac.ir).
محمد فرزی پژوهشکده برق، سازمان جهاد دانشگاهی علم و صنعت، تهران، ايران، (email: m.farzi@acecr.ac.ir).
محمدرضا زینالالحسینی، پژوهشکده برق، سازمان جهاد دانشگاهی علم و صنعت، تهران، ايران، (email: s.m.r.zeinal@gmail.com).
شکل 4: ادغام روش ارائهشده با (الف) طرح روش کنترل برداری موتور الکتریکی و (ب) طرح روش کنترل حلقه بسته اسکالر.
شکل 5: تصویری از بستر آزمایشگاهی.
مراجع تصحیح و به کمتر از مقادیری از پیش تعیینشده رسیدند، فرمان وصل کلید صادر شده و برای مدتی بسیار کوتاه شبکه و اینورتر موازی میشوند. انتظار میرود که به دلیل دقت تخمین، تنش مکانیکی و الکتریکی برای موتور حاصل نشود. سپس فرمان قطع صادر میشود و در نتیجه انتقال بدون وقفه از شبکه به سامانه کنترل دور تکمیل میشود.
2-4 مقایسه روش ارائهشده با سایر روشها
روش انتقال بدون وقفه دوطرفه ارائهشده در این مقاله بر اساس نظریه تبدیل فوریه گسسته توسعه داده شده است. این روش مزیتهای ذیل را دارد:
- استفاده از تبدیل فوریه گسسته و استخراج مؤلفه اصلی شکل موجها پایداری این روش را تضمین میکند. همچنین مقاومت آن را در برابر آلودهبودن ولتاژ به هارمونیک و موج DC میافزاید.
- روش ارائهشده، حلقه قفل فاز و قفل دامنه را بهصورت یکپارچه دارد. در مقابل، حلقههای قفلشده فاز مرسوم نیازمند اضافهشدن حلقه قفل دامنه نیز هستند.
- در این روش، در تخمین دامنه و فاز از کنترلکنندههای تناسبی- انتگرالی استفاده نشده است؛ بنابراین تأخیرات ناشی از آنها حذف شده و دیگر نیازی به تنظیم ضرایب آنها نیست. کیفیت تنظیم ضرایب کنترلکنندهها و فیلترها در سایر روشها نظیر [4]، [10] و [18] سبب کاهش محسوس دقت تخمین فاز میشود.
- دقت بالای تخمین دامنه و فاز و در نتیجه محاسبه دقیق بسامد ولتاژ شبکه موجب فراهمشدن امکان موازیسازی لحظهای دو منبع در هنگام تکمیل همگامسازی، بدون نیاز به ادوات مغناطیسی اضافه شده است.
جدول 2، چند روش متداول را از دیدگاه صرف حافظه و بار محاسباتی با روش ارائهشده مقایسه میکند. اگرچه روش ارائهشده، حافظهمحور است، تعداد عملگرهای ریاضی مورد نیاز آن بسیار کمتر از روش انتگرالگیر مرتبه دوم [8] و [13]، حلقه قفلشده فاز برداری [18] و حلقه قفلشده فاز مبتنی بر قاب مرجع گردان [5] میباشد. بدیهی است که کاهش تعداد عملگرهای ریاضی، کاهش بار محاسباتی را در پی دارد.
3- نتایج آزمایشگاهی
در این بخش، روش ارائهشده به کمک یک بستر آزمایشگاهی ارزیابی میگردد. این بستر، شامل سامانه کنترل دور موتور بوده که مبتنی بر ساختار پل سهسطحی آبشاری است و یک موتور القایی 5/7 کیلوواتی را طبق شکل 5 تغذیه میکند. مشخصات بستر آزمایشگاهی در جدول 3 آمده
جدول 2: مقایسه بار محاسباتی و اشغال حافظه میان روش ارائهشده و برخی روشهای دیگر.
| روش ارائهشده | روش انتگرالگیر مرتبه دوم [8] و [13] | حلقه قفلشده فاز برداری [18] | حلقه قفلشده مبتنی بر قاب مرجع گردان [5] | |
مصرف حافظه | ثابتهای اعشاری |
| 2 | 5 | 3 |
متغیرهای اعشاری |
| 6 | 6 | 15 | |
متغیرهای عدد صحیح | 1 | 0 | 0 | 0 | |
بار محاسباتی | جمعکننده | 8 | 15 | 12 | 9 |
ضرب | 7 | 19 | 11 | 12 | |
تابع سینوس و کسینوس | 0 | 0 | 2 | 6 | |
تانژانت معکوس | 1 | 1 | 0 | 0 | |
رادیکال | 1 | 1 | 1 | 0 | |
جدول 3: مشخصات بستر آزمایشگاهی.
مقادیر | مشخصهها |
V 400 سهفاز | ولتاژ شبکه |
V 400 سهفاز | ولتاژ AC خروجی |
Hz 1200 | بسامد کلیدزنی |
24 | تعداد نمونه در هر دوره (بسامد شبکه) |
rad 05/0 | خطای فاز |
%5 | خطای دامنه |
Hz 50 | بسامد نامی شبکه و موتور |
kW 5/7 | توان خروجی |
5 سطحی | تعداد سطوح اینورتر |
25LV | نمونهبردارهای ولتاژ |
55LA | نمونهبردارهای جریان |
316HCPL | راهاندازهای گیت |
2 اهم مقاومت نیکلکروم | بار اهمی |
4KT12R450FF | IGBT |
96VUO | دیودهای یکسوساز |
است. بستر آزمایشگاهی بر اساس طرح شکل 2 ساخته شده؛ به طوری که یک کنتاکتور برای اتصال شبکه به موتور و یک کنتاکتور برای اتصال خروجی سامانه کنترل دور به موتور الکتریکی در نظر گرفته شده است. این بستر توسط یک مدار کنترلی مبتنی بر پردازنده 
کنترل میشود. نمونههای ولتاژ و جریان طبق شکل 2 به واحد تبدیل آنالوگ به دیجیتال این مدار کنترلی به کمک ترانسدیوسرهای 25LV و 55LA داده میشود. نمونهبرداری از ولتاژهای اینورتر و شبکه به کمک فیلتر پایینگذر یکسان انجام میشود. موتور القایی به یک ژنراتور DC
با تحریک مستقل، متصل گردیده و خروجی آن به یک بار مقاومتی نیکلکرومی 2 اهمی وصل شده است. در این بخش انتقال موتور از اینورتر به شبکه و بالعکس و حالات گذرا در هر یک از این فرایندها به کمک نتایج آزمایشگاهی بررسی میشود. برای ثبت نتایج از نوساننمای Z1054RIGOL-DS استفاده شده است.
3-1 عملکرد همگامسازی و انتقال موتور به شبکه
شکل 6 فرایند همگامسازی و انتقال موتور از اینورتر به شبکه را پس از صادرشدن فرمان آن نشان میدهد. شکل 6- الف وضعیت ولتاژ اینورتر و ولتاژ شبکه را قبل از صدور فرمان، شکل 6- ب وضعیت ولتاژ اینورتر را بعد از صدور فرمان و شکل 6- ج نحوه تکمیل فرایند همگامسازی موتور با شبکه و انتقال آن به شبکه را نشان میدهد. در تمامی این تصاویر، وضعیت قطع یا وصل بودن کنتاکتور متصل به سامانه کنترل دور و شبکه نشان داده شده است. مطابق با شکل 6- الف، پیش از اعمال فرمان همگامسازی، کنتاکتور اینورتر در حالت وصل بوده و موتور را تغذیه میکند. کنتاکتور اتصال موتور به شبکه قطع است. مطابق شکل 6- ب، سامانه کنترل دور موتور پس از دریافت فرمان همگامسازی اقدام به همگامکردن ولتاژ خروجی خود با شبکه از لحاظ دامنه، فاز و بسامد میکند. در شکل 6- ج، پس از تکمیل فرایند همگامسازی که ولتاژ خروجی اینورتر و ولتاژ شبکه روی هم افتادهاند، ابتدا کنتاکتور متصلکننده موتور به شبکه وصل شده و پس از مدت کوتاهی کنتاکتور اینورتر قطع و همچنین ولتاژ خروجی آن صفر میشود.
3-2 عملکرد همگامسازی و بازگشت موتور به اینورتر
شکل 7- الف وضعیت ولتاژهای اینورتر و شبکه و همچنین وضعیت قطع/ وصلبودن کنتاکتورهای اینورتر و شبکه را پیش از اعمال فرمان همگامسازی و بازگشت تغذیه موتور به اینورتر نشان میدهد. شکل 7- ب وضعیت ولتاژهای اینورتر و شبکه را در حین فرایند همگامسازی و شکل 7- ج، تغییرات سیستم در لحظه اتمام فرایند بازگشت موتور به اینورتر را نشان میدهد. بر این اساس پیش از اعمال فرمان، کنتاکتور متصلکننده موتور به اینورتر باز و موتور بهطور مستقیم به شبکه وصل است. ولتاژ خروجی اینورتر نیز صفر است. پس از صدور فرمان، مدار کنترل ابتدا دامنه، فاز و بسامد مرجع را تخمین زده و سپس اقدام به تولید ولتاژ در خروجی خود میکند. در پایان پس از اتمام فرایند همگامسازی ولتاژ اینورتر با ولتاژ شبکه، کنتاکتور متصلکننده موتور به سامانه کنترل دور وصل شده و برای لحظه کوتاهی این سامانه با شبکه موازی میشود. سپس کنتاکتور شبکه بازمیگردد.
3-3 عملکرد همگامسازی فرکانسی
در روش ارائهشده، نهتنها دامنه و فاز ولتاژهای اینورتر و شبکه همگام میشود، بلکه بسامد ولتاژهای مذکور نیز یکسان میگردد. بسامد ولتاژ خروجی اینورتر یک درجه آزادی برای تنظیم و تصحیح فاز ولتاژ آن است. بههمین منظور، ابتدا موتور با اینورتر تا بسامد دلخواه 6/37 هرتز راهاندازی میشود که در شکل 8- الف نمایش داده شده است. پس از اعمال فرمان همگامسازی، مطابق شکل 8- ب، بسامد ولتاژ خروجی اینورتر با شتاب مشخصی که الگوی کنترل اسکالر تعیین میکند به بسامد ولتاژ شبکه میرسد. بسامدسنج نوساننما دقت تشخیص فرکانس را تأیید میکند.
3-4 جریان گردشی اینورتر و شبکه
نشان داده شد که در حالت گذرای فرایند انتقال، شبکه و سامانه کنترل دور در یک لحظه کوتاه موازی میشوند که این موازیسازی در روشهای
(الف)
(ب)
(ج)
شکل 6: نتایج آزمایشگاهی عملکرد همگامسازی و انتقال موتور به شبکه، (الف) ولتاژهای اینورتر و شبکه قبل از فرمان، (ب) ولتاژ اینورتر و شبکه پس از فرمان و (ج) تکمیل فرایند.
سنتی به واسطه یک سلف یا ترانسفورماتور صورت میگرفت. در این مقاله، عدم نیاز به استفاده از ادوات مغناطیسی برای این فرایند بهعنوان یکی از ویژگیهای برجسته روش ارائهشده بیان شد. در اينجا به كمك دو آزمايش به صورت تجربي نشان داده ميشود كه جريان اينورتر در حالت گذرا چگونه است. انجام فرایند انتقال میتواند در لحظه گذر از صفر ولتاژ خط و یا لحظات غیرصفر صورت گیرد. شکل 9- الف حالتی را نشان میدهد که جریان گردشی بین اینورتر و شبکه در لحظه موازیشدن این دو صفر است. این حالت مربوط به انتقال موتور از اینورتر به شبکه در
(الف)
(ب)
(ج)
شکل 7: نتایج آزمایشگاهی عملکرد همگامسازی و انتقال موتور به اینورتر، (الف) ولتاژهای اینورتر و شبکه قبل از فرمان، (ب) ولتاژ اینورتر و شبکه پس از فرمان و (ج) تکمیل فرایند.
لحظه گذر از صفر ولتاژ خط است. در شکل 9- ب، جریان گردشی لحظهای با دامنه حداکثر 5/1 برابر جریان نامی مشاهده میشود. این حالت مربوط به انتقال موتور از اینورتر به شبکه در لحظهای غیر از صفر ولتاژ خط است. این عدد در محدوده عملکرد یک سامانه کنترل دور موتور بوده؛ زیرا این سامانه جریان هجومی راهاندازی موتور را از حدود 8 برابر به 5/1 برابر جریان نامی موتور محدود میکند. اين نتايج نشان ميدهند كه دقت همگامسازي به گونهاي است كه جريانهاي گردشي و هجومي ناشي از موازيسازي شبكه و سامانه كنترل دور، فراتر از محدوده مجاز نمیرود.
(الف)
(ب)
شکل 8: نتایج آزمایشگاهی همگامسازی فرکانس، (الف) ولتاژ و جریان موتور قبل از فرایند در بسامد 6/37 هرتز و (ب) ولتاژ و جریان موتور پس از فرایند در بسامد 50 هرتز و اتمام فرایند.
(الف)
(ب)
شکل 9: نتایج آزمایشگاهی حالت گذرا، (الف) جریان اینورتر در جابهجایی در نقطه گذر از صفر ولتاژ و (ب) جریان اینورتر در جابهجایی غیر از نقطه گذر از صفر ولتاژ.
(الف)
(ب)
شکل 10: نتایج آزمایشگاهی حالت گذرای جریان موتور، (الف) انتقال موتور از اینورتر به شبکه و (ب) بازگشت موتور از شبکه به اینورتر.
3-5 جریان حالت گذرای موتور
در بخش 4-3 جریان حالت گذرای اینورتر که در لحظهای موازی با شبکه میشود، نشان داده شد. در این فرایند، موتور بدون افت سرعت جابهجا میشود. برای اثبات این مدعا شکل 10- الف، جریان موتور را هنگام انتقال آن از اینورتر به شبکه و شکل 10- ب، جریان موتور را حین بازگشت از شبکه به سامانه کنترل دور نمایش میدهد. جریان موتور بدون تغییر است که نشان از دقت بالای همگامسازی است. نتایج آزمایشگاهی عملکرد این روش را تأیید میکنند.
4- نتیجهگیری
در این مقاله، یک روش جدید برای فراهمکردن امکان تغییر دوطرفه منبع تغذیه یک موتور الکتریکی، میان سامانه کنترل دور موتور و شبکه برق بر پایه تبدیل فوریه گسسته ارائه شد. این روش، بدون تغییر در شیوه کنترل موتور و تنها با تصحیح مراجع مربوط به دامنه و بسامد در روشهای اسکالر و یا با تصحیح مراجع شار و گشتاور در روشهای برداری، شکل موج خروجی اینورتر را از لحاظ فاز، دامنه و بسامد با
شبکه همگام میکند که در نتیجه، انتقال بدون وقفه منبع تغذیه موتور فراهم میشود. نشان داده شد که جهت عدم استفاده از کنترلکنندههای تناسبی- انتگرالی در تخمین دامنه و فاز، دیگر نیازی به تنظیم دشوار ضرایب آنها نیست. به خاطر دقت بالای همگامسازی نیز موازیسازی لحظهای اینورتر و شبکه بدون نیاز به ادوات اضافه انجام شد. نتایج آزمایشگاهی حکایت دارد که موتور بدون تنش الکتریکی و مکانیکی از سامانه کنترل دور به شبکه و بالعکس جابهجا میشود. همچنین جریان حالت گذرای موازیشدن اینورتر و شبکه به حداکثر 5/1 برابر جریان نامی سیستم که در محدوده مجاز آن است، محدود میشود. همچنین بهدلیل عدم وقفه در عملکرد موتور، بر روی جریان موتور تأثیری ندارد. مقایسه با سایر روشها حکایت از کاهش تعداد عملگرهای محاسباتی دارد که در نتیجه سرعت اجرای این الگو را افزایش و بار محاسباتی را میکاهد. این روش برای تمامی سامانههای کنترل دور موتور و صرف نظر از نوع ساختار و الگوی کنترل موتور قابل پیادهسازی و اجراست.
مراجع
[1] T. R. Beckwith and W. G. Hartmann, "Motor bus transfer: considerations and methods," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 42, no. 2, pp. 602-611, Mar./Apr. 2006.
[2] P. K. Muralimanohar, D. Haas, J. R. McClanahan, R. T. Jagaduri, and S. Singletary, "Implementation of a microprocessor-based motor bus transfer scheme," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 54, no. 4, pp. 4001-4008, Jul./Aug. 2018.
[3] M. V. V. S. Yalla, A. Vakili, and T. R. Beckwith, "Calculation of transient torques on motors during a residual voltage motor bus transfer," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 56, no. 6, pp. 6104-6116, Nov.-Dec. 2020.
[4] X. Guo, W. Wu, and Z. Chen, "Multiple-complex coefficient-filter-based phase-locked loop and synchronization technique for three-phase grid-interfaced converters in distributed utility networks," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 4, pp. 1194-1204, Apr. 2010.
[5] S. Golestan, M. Monfared, and F. D. Freijedo, "Design-oriented study of advanced synchronous reference frame phase-locked loops," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 2, pp. 765-778, Feb. 2012.
[6] A. A. Ahmad, M. Pichan, and A. Abrishamifar, "A new simple structure PLL for both single and three phase applications," International J. of Electrical Power & Energy Systems, vol. 74, pp. 118-125, Jan. 2016.
[7] B. Misra and B. Nayak, "Second order generalized integrator based synchronization technique for polluted grid conditions," in Proc. 2nd Int. Conf. for Convergence in Technology, pp. 1080-1084, Mumbai, India, 7-9 Apr. 2017.
[8] Q. Yan, R. Zhao, X. Yuan, W. Ma, and J. He, "A DSOGI-FLL-based dead-time elimination PWM for three-phase power converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 3, pp. 2805-2818, Mar. 2019.
[9] S. Golestan, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "Hybrid adaptive/nonadaptive delayed signal cancellation-based phase-locked loop," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 1, pp. 470-479, Jan. 2017.
[10] S. Golestan, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "Steady-state linear Kalman filter-based PLLs for power applications: a second look," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 65, no. 12, pp. 9795-9800, Dec. 2018.
[11] T. Binkowski, "Fuzzy logic grid synchronization technique for single-phase systems," in PRoc. Progress in Applied Electrical Engineering, 5 pp., Koscielisko, Poland, 18-22 Jun. 2018.
[12] S. Golestan, J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, A. M. Abusorrah, and
Y. Al-Turki, "All-pass-filter-based PLL systems: linear modeling, analysis, and comparative evaluation," IEEE Trans. Power Electron., vol. 35, no. 4, pp. 3558-3572, Apr. 2020.
[13] A. Ranjan, S. Kewat, and B. Singh, "DSOGI-PLL with in-loop filter based solar grid interfaced system for alleviating power quality problems," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 57, no. 1, pp. 730-740, Jan./Feb. 2021.
[14] Z. Zhang, et al., "An adaptive enhanced complex-coefficient filter-based PLL in variable frequency grid," IEEE Trans. Power Electron., vol. 39, no. 4, pp. 3950-3955, Apr. 2024.
[15] F. Sevilmiş, H. Karaca, and H. Ahmed, "High-order delayed signal cancellation-based PLL under harmonically distorted grid voltages," IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 72, 9 pp., 2023.
[16] X. M. Jia and S. S. Choi, "Design of Volts per Hertz limiter with consideration of the under-excitation limiter control actions," IEEE Trans. Energy Convers., vol. 16, no. 2, pp. 140-147, Jun. 2001.
[17] L. Xiong, et al., "Virtual field-orientated control for doubly salient electromagnetic machine with torque ripple reduction," IEEE Trans. Power Electron., vol. 39, no. 1, pp. 1378-1393, Jan. 2024.
[18] N. Beniwal, I. Hussain, and B. Singh, "Vector-based synchronization method for grid integration of solar PV-battery system," IEEE Trans. Ind. Inf., vol. 15, no. 9, pp. 4923-4933, Sept. 2019.
علیرضا لاهوتی اشکوری تحصیلات خود را در مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد به ترتیب در سالهای 1393 و 1395 در رشته مهندسی برق در دانشگاه علم و فرهنگ تهران و مقطع دکتری تخصصی را در سال 1400 در رشته مهندسی برق در دانشگاه شهید بهشتی به پایان رساندهاست. او از سال 1393 در پژوهشکده برق جهاد دانشگاهی در سمت پژوهشگر مشغول به فعالیت علمی بوده و همچنین از سال 1393 به عنوان مدرس دانشگاه مشغول به تدریس است. دکتر لاهوتی اشکوری در سال 1401 به عنوان پژوهشگر نمونه دانشگاه شهید بهشتی انتخاب گردید. زمینه تحقیقاتی مورد علاقه او آنالیز، مدلسازی، طراحی و کنترل مبدلهای الکترونیک قدرت است.
علی کشاورزیان تحصيلات خود را در مقاطع كارشناسي و كارشناسي ارشد رشته برق قدرت بهترتيب در سالهاي 1389 و 1391 از دانشکدگان فنی دانشگاه تهران به پايان رسانده است و از سال 1393 در پژوهشکده برق جهاد دانشگاهی مشغول به فعالیت گردید. زمينههاي تحقيقاتي مورد علاقه وی عبارتند از: مبدلهای الکترونیک قدرت، درایو موتورهای صنعتی و انرژیهای تجدید پذیر.
ایمان عبدلی در سال 1395 مدرك كارشناسي و در سال 1397 کارشناسی ارشد خود را بهترتیب در رشتههای الکترونیک و الکترونیک قدرت و ماشینهای الکتریکی از دانشگاه علم وفرهنگ تهران دریافت نمود. از سال 1397 به دوره دكتراي مهندسي برق الکترونیک قدرت در دانشگاه شهید بهشتی وارد گرديد و در سال 1402 موفق به اخذ درجه دكترا در مهندسي برق الکترونیک قدرت از دانشگاه مذكور گرديد. از سال 1398 تاکنون به عنوان كارشناس ارشد پژوهشی الکترونیک قدرت در جهاددانشگاهی به كار مشغول ميباشد. زمينههاي علمي مورد علاقه نامبرده متنوع بوده و شامل موضوعاتي مانند مبدلهای الکترونیک قدرت، انرژی های تجدید پذیر، کیفیت توان و درایو الکتروموتورهای دور متغیر ميباشد.
محمد فرزی در سال 1374 مدرك كارشناسي مهندسي برق الكترونيك خود را از دانشگاه علم و صنعت و در سال 1386 مدرك كارشناسي ارشد مديريت اجرايي خود را از همين دانشگاه دريافت نمود. از سال 1374 الي 1385 نامبرده به عنوان كارشناس ارشد طراحي و توليد در جهاد دانشگاهي واحد علم و صنعت به كار مشغول بوده و از سال 1385 تاكنون به عنوان عضو هيأت علمي و مدير پروژه هاي پژوهشي و صنعتی متعدد از جمله قطار ملی فعاليتهاي علمي خود را در پژوهشكده برق جهاد دانشگاهي دنبال كرده است و اينك نيز با عنوان مدير گروه پژوهشي منابع تغذيه صنعتی در اين پژوهشكده مشغول فعاليت است. زمينههاي علمي مورد علاقه ایشان عمدتاً حوزه الكترونيك قدرت شامل موضوعاتي مانند مبدل هاي الكترونيك قدرت، كنترل دور موتورهاي الكتريكي، سيستم رانش در قطارهاي مترو، ركتيفايرهاي جريان بالا و اينورترهاي متصل به شبكه ميباشد.
محمدرضا زینالالحسینی تحصیلات خود را در مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد به ترتیب در دانشگاه علم و فرهنگ تهران و دانشگاه تربیت مدرس به پایان رساندهاست. زمینه تحقیقاتی مورد علاقه او طراحی مبدلهای الکترونیک قدرت از جمله مبدلهای رزونانسی میباشد.