محافظت در برابر جریان بیش از حد و منطق فازی در موتورهای القایی

چکیده

این مقاله نشاندهنده ی این است می توان محافظت در برابر جریان های اضافی در موتورهای القایی را با استفاده از منطق فازی، ایجاد کرد. موتور القایی یکی از متداول ترین ماشین های الکتریکی در کاربردهای صنعتی می باشد زیرا این موتورها، دارای مزیت های قابل توجهی نسبت به سایر وسایل هستند. مهم ترین محدودیت این موتورها، مصرف میزان قابل توجهی جریان در طی شروع کار است که این مسئله ممکن است منجر به تخریب سیستم شود. به دلیل این محدودیت، یک روش محافظت مؤثر و ارزان قیمت در این مقاله پیشنهاد شده است. دو ورودی بر روی کنترلر فاز منطقی اعمال می شود تا بدین صورت، به هدف نائل شویم. سنسور جریان نیز برای تشخیص افزایش ناخواسته ی جریان و زمان این مسئله، استفاده می شود. مهم ترین هدف این روش، محدود کردن جریان و خاموش کردن موتور در زمان های مورد نیاز، می باشد. وقتی جریان تنها برای یک زمان بسیار کوتاه بالا باشد، جریان محدود می شود. برای یک جریان بی ثبات در زمان های طولانی تر، موتور خاموش می شود.

مقدمه

موتور الکتریکی یک بخش حیاتی برای سیستم های توان الکتریکی محسوب می شود و از این رو، محافظت آن، یک ضرورت است. موتورهای الکتریکی نیازمند محافظت در مواقع ضرورت می باشند مثلا در زمانی که مدار کوتاه وجود دارد، اتصال به زمین قطع می شود، جریان اضافی وجود دارد و یا ولتاژ اضافی در سیستم وجود دارد. این مقاله در اصل بر روی محافظت موتورهای القایی در برابر جریان های اضافی، تمرکز دارد.
ساده ترین وسیله ی محافظتی یک فیوز است که شامل یک قطعه ی با قابلیت جایگزینی می باشد. فیوز بر این اصل کار می کند که وقتی جریان بیش از حد مورد نظر در سیستم ایجاد شود، سیم موجود در این سیستم ذوب می شود و جریان از مدار های اصلی قطع می شود. استفاده از فیوز، ساده ترین روش برای محافظت یک سیستم است و همچنین مزیت های دیگری محافظت از سیستم در برابر جرقه و نویز را نیز دارد. دلیل استفاده ی محدود از فیوز، این است که این قطعات برای ولتاژها و جریان های بالا مناسب نیستند. همچنین جایگزینی فیوز جدید به جای فیوز سوخته، یک فرایند وقت گیر است.
در مورد بارها و ولتاژهای رو به افزایش و مدار کوتاه، یک وسیله مورد نیاز است که بتواند جریان، ولتاژ، فرکانس و توان را در این سیستم ارزیابی کند. رله های محافظتی برای انجام این هدف، استفاده می شوند. رله ها اغلب با قطع کن های جریان ترکیب می شوند که علاوه بر مزیت های بیان شده، موجب قطع شدن سیستم در شرایط غیر نرمال می شود. مقادیر الکتریسیته برای شرایط غیر نرمال نسبت به شرایط نرمال، متفاوت است. رله ها با اندازه گیری مکرر مقادیر الکتریکی مانند ولتاژ، جریان و فرکانس، از سیستم در برابر شرایط غیر نرمال، محافظت می کنند. در هر جا خرابی و عیبی بوسیله ی رله تشخیص داده شود، این رله موجب می شود تا قطع کن جریان باز شود و مدار معیوب از سیستم خارج شود.
بسته به ساختار و اصول عملیاتی، رله ها ممکن است به رله های الکترومغناطیس (DC و AC)، رله های القایی الکترومغناطیس (که بر اساس اصول موتورهای القایی کار می کنند)، رله های الکتروگرمایی، رله های الکتریکی فیزیکی، رله های استاتیک و رله های الکترودینامیکی ، طبقه بندی شوند. بسته به کاربرد آنها، این رله ها، نیز به صورت رله های تحت ولتاژ، رله های تحت جریان، رله های تحت توان، رله های اور ولتاژ، اور جریان و اور توان، طبقه بندی شوند. رله های اور جریان، نیز به رله های جریان آنی، رله های جریان با زمان محدود، رله های جریان با زمان معکوس و رله های جریان جهتی، طبقه بندی شوند.
بیشتر سیستم های محافظتی کنونی که در کاربردهای صنعتی استفاده می شوند، از رله های اور جریانی به عنوان یک المان محافظتی در برابر جریان های بالا، استفاده می کنند. یکی از مشکلات اصلی رله های اور جریان، عدم پایداری آانها در حفظ پیوسته ی جریان در مواقعی است که یک انحراف اندک در جریان، وجود دارد. همچنین این قطعات اختلاف زمانی ایجاد می کنند که در مدار کوتاه مطلوب نمی باشد و موجب بوجود آمدن مشکلاتی در زمینه ی هماهنگی بخش های مختلف می شود و از این رو، این نیاز وجود دارد که این مشکل با افزایش بار حذف شود. در نتیجه، هزینه ی این رله ها، به طور قابل توجهی بالاتر از کارایی آنها در سیستم های محافظتی می باشد. اخیراً رله های عددی نیز در این کاربردها استفاده شده اند و توانسته اند ویژگی ها زمان معکوسی ایجاد کنند اما استفاده از آنها در طی دوره های کاری موتور، محدود می باشد. همچنین این سیستم ها، هزینه های بالاتری دارند.
در این مقاله، ما امکان پذیری حصول محافظت در برابر اور جریان در موتورها با استفاده از منطق فازی را بررسی خواهیم کرد. برای حصول این طراحی، سنسور جریان، زمان، محدود کننده ی جریان و کنتاکتور مورد استفاده قرار گرفته است. هدف اصلی استفاده از سنسور جریان، تشخیص اور جریان و ارسال سیگنال به تایمر است. وقتی جریان بسیار بالا نباشد و یا قابلیت پایداری داشته باشد، میکروکنترلر یک سیگنال به محدود کننده ی جریان می دهند تا جریان را محدود کند. وقتی جریان بالا باشد و احتمال تخریب مدار وجود داشته باشد، کنتاکتور موجب می شود تا جریان از منبع اصلی قطع شود.

روش کار

محافظت اور جریان موتور

وضعیتی که در آن، جریان بزرگتر از جریان مربوط به یک وسیله باشد، کنداکتور و یا ماشین به عنوان یک اور جریان برشمرده می شود که این مسئله منجر به بار اضافی، ایجاد مدار کوتاه و یا معایب مختلفی می شود و ممکن است همچنین شرایطی را ایجاد کند که افزایش دما موجب تخریب وسیله یا ماشین شود. بنابراین، محافظت مناسب در برابر این اور جریان بهترین المانی است که برای هر سیستم الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد.
وقتی موتورهای القایی به انرژی متصل می شوند، یک مقدار بیشتر از جریان نسبت به جریان استاندارد اعمال می شود تا بدین صورت بر ممنتوم زاویه ای مربوط به موتور، چیره شود.
تحت محیط های اجرای نمونه وار، سرعت یک موتور القایی تقریبا ثابت است. وقتی بار موتور افزایش می یابد، این مسئله موجب می شود تا جریان اضافی به مدار اعمال شود تا بدین صورت، سرعت موتور کاهش نیابد. اگر این جریان بسیار بالا باشد، سپس موجب می شود تا موتور به دلیل حرارت بیش از حد و یا سوختن سیم های پیچه ها، تخریب شود. در نتیجه، محافظت مناسب در برابر این شرایط، یک مسئله ی ضروری است. یک سیستم محافظت در برابر اورجریان در موتورهای القایی که از کنترل منطق فازی بهره می برد، در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است.

سیستم اینترفیس فازی پیشنهاد شده

در سیستم های محافظتی قبلی، این مشاهده شد بود که اگر جریان بزرگتر از جریان اسمی موتور می شد، موتور بدون دستکاری زمانی که اورجریان رخ می دهد، متوقف می گردد. این مسئله، مورد مناسبی نیست زیرا موجب می شود تا سرویس دهی با مختل مواجه شود اگر، تغییرات کوچکی در جریان رخ دهد. در سال های اخیر، الگوریتم های زمان معکوس، نیز صنعتی سازی شده اند. در این الگوریتم ها، هم اندازه گیری اورجریان و هم زمان، انجام می شود و بر اساس این دو فاکتور، یک تصمیم گیری مناسب در مورد توقف موتور صادر می شد (البته در صورت ضرورت).
در این مقاله، ما یک روش جدید با استفاده از منطق فازی پیشنهاد دادیم که بوسیله ی آن، موتور القایی تحت محافظت قرار می گیرد. وقتی منطق فازی می تواند با محاسبه ی جریان و زمان بدست آید، بنابراین، این روش، روشی مناسب به نظر می رسد. مدل منطق فازی Mamdani که از نرم افزارهای MATLAB و Simulink استفاده می کند، برای این روش، مناسب می باشد. سیستم پیشنهاد شده، در شکل 1 آورده شده است. دو ورودی برای جریان و زمان در نظر گرفته شده است و بر اساس همین دو ورودی، خروجی ایجاد می شود به نحوی که آیا موتور خاموش شود و یا جریان داخل موتور، محدود گردد. ورودی به صورت زیر است:
• جریان
• زمان
عملکرد اعضای مربوط به اولین ورودی، به صورت زیر تعریف می شود (شکل 2): • نرمال
• بالا
• بسیار بالا
در شکل بالا، جریان به سه عملکرد مختلف تقسیم می شود و محور X مقادیر مربوط به هر بخش یا حالت را نشان می دهد. اولین حالت یعنی حالت نرمال، در موقعیت صفر در نظر گرفته می شود و نشان می دهد که در صورتی که جریان بالاتر از جریان اسمی موتور نباشد، این سیستم قطع است. mf دوم حالت بالاست که در موقعیت 0.5 سیستم در نظر گرفته می شود. این مقدار در حقیقت 50% از مقدار می باشد و در این حالت جریان بین جریان اسمی و جریانی است که موجب تخریب سیستم می شود. حالت mf سوم، در واقع حالت بسیار بالاست که در این حالت، مقدار حالت برابر یک می باشد. این جریان حالتی است که موجب تخریب سیستم می شود.
ورودی اول از سنسور جریان گرفته می شود که در ان، سنسور جریان برای تشخیص اورجریان و مقدار آن، استفاده می شود. این کار با استفاده از یک میکروکنترلر دیجیتالی انجام می شود. بسته به مقدار جریان تشخیص داده شده، کنترلر در مورد بهترین حالت کاری، تصمیم گیری می کند و بدین صورت از جریان محافظت می کند.
ورودی دوم، که در واقع زمان است، نیز به سه حالت عملکردی طبقه بندی می شود (شکل 3): • کم
• متوسط
• بسیار زیاد
در اینجا، میزان mf اول یعنی حالت کم، در موقعیت صفر قرار دارد، mf دوم حالت متوسط است که در موقعیت 50 % قرار می گیرد. مقدار mf سوم در حالت بسیار بالاست که در واقع بالاترین مقدار مربوط به این حالت می باشد. اگر جریان بالا برای یک زمان بالاتر از سیستم عبور کند و نتوان از این جریان جلوگیری شود، موتور متوقف می شود.
ورودی زمان از یک تایمر گرفته می شود که با سنسور جریان در ارتباط است. اگر جریان مدار خارج از جریان اسمی باشد، سپس سنسور جریان شاخصی را به تایمر می فرستد که زمان اورجریان را محاسبه کند. با توجه به مقدار زمان و جریان، کنترلر انتخاب می کند که بهترین عملکرد برای سیستم چیست.
برای بررسی و ترسیم عملکردهای ورودی مختلف، دو خروجی در نظر گرفته می شود که به صورت زیر می باشد:
• جریان محدود
• خاموش شدن موتور
برای اولین متغیر خروجی، سه عملکرد حالت می تواند برای محدود کردن تغییرات جریان اندک در جریان، تغییرات متوسط در جریان و تغییرات بالا در نظر گرفته می شود. این حالت ها عبارتند از(شکل 4): • کم
• متوسط
• بالا
به طور مشابه، اگر جریان بسیار بالا باشد و نتوان عملکردهای محدودکننده به کار برد، باید موارد زیر را انتخاب کرد (شکل 5): شکل 5 نشاندهنده ی مقایسه ای از عملکردهای اعضا و میزان بالاترین مقادیر می باشد. وقتی جریان بالا در میان مدار ایجاد می شود و نمی توان زمان محدود ایجاد کرد، این خروجی سیگنالی به کنتاکتور می دهد تا موتور را خاموش کند.
در نهایت 12 گروه از اصول مورد بررسی قرار گرفته است و تابع های عملکردی آنها ترسیم شده است. اصول ترسیم شده با استفاده از این مسائل، در زیر آورده شده است (شکل 6):

سیستم محافظتی پیشنهاد شده

دیاگرام شماتیک مربوط به سیستم محافظتی پیشنهاد شده، در زیر آورده شده است (شکل 7): موتور در نظر گرفته شده در اینجا، یک موتور القایی سه فاز است. سیستم پیشنهاد شده، برای تک فاز است و در واقع باید برای یک سیستم سه فاز، سه سیستم استفاده شود.
سه مبدل جریان برای کم کردن جریان در حالت جریان بالا استفاده می شود و برای تغذیه ی جریان به سنسورهای جریانی، و به دلیل اینکه مدار توان، دارای جریان بالایی است، المان های محافظتی تحت جریان های پایین کار می کنند. اگر یک تغییر در جریان در سمت اولیه ی مبدل ایجاد شود، تغییر قابل مقایسه ای در سمت ثانویه ی اتفاق می افتد.
سنسور جریان، جریان موجود در مدار را بررسی کرده و در صورتی که جریان بزرگتر از جریان اسمی موتور باشد، یک پیام به تایمر ارسال می کند. وقتی تایمر پیام را دریافت می کند، شروع به محاسبه ی زمان می باشد تا زمانی که دوباره جریان موتور کاهش یابد. از آنجایی که ورودی تایمر یک سیگنال دیجیتال است، بنابراین، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال برای تبدیل خروی سنسور جریان به حالت دیجیتال، استفاده می شود.

نتایج شبیه سازی و بحث

شکل 8 نشاندهنده ی سطح بین زمان – جریان در محدودکننده ی جریان می باشد. نقطه ی (0،0،0) در شکل، بیان کننده ی جریان استاندارد است و هیچ ضرورتی برای محدود کردن جریان وجود ندارد. از این رو، سیستم به طور پیوسته کار می کند. نقطه ی (1،1،1) در واقع بالاترین بخش است که نشاندهنده ی جریان بسیار بالا برای زمان های بسیار طولانی است و باید به سرعت محدود گردد. در نتیجه، خروجی محدود کننده ی جریان، ماکزیمم می شود. معادله ی مربوط به سطح با استفاده از یک چند جمله ای درجه ی پنجم بدست می آید: ضرایب به صورت زیر می باشد: شکل 9 نشاندهنده ی سطح میان زمان ها و جریان برای هاموش شدن موتور می باشد. اگر مقدار جریان و زمان در بخش زرد رنگ قرار گرفته باشد و جریان نتواند در یک زمان مشخص محدود گردد، موتور از منبع جدا می شود. بخش آبی نشاندهنده ی این است که موتور در شرایط عملیاتی قرار دارد. معادله ی سطح بدست آمده با استفداه از چند جمله ی درجه ی پنجم، به صورت زیر بدست می آید:

ضرایب

نتیجه گیری

از تحقیق انجام شده، این منتج می شود که روش پیشنهاد شده برای یک سیستم محافظتی در برابر اور جریان که بر طبق منطق فازی می باشد، یک رویه ی منفرد به سوی تکامل این روش می باشد. 12 گروه از اصول برای بدست آوردن کارایی ترجیح داده شده، مجاز می باشد. در این مقاله، تنها محافظت در برابر اورجریان در نظر گرفته شده است و این روش می توناد برای محافظت زمانی، محافظت مدار کوتاه و اتصال به زمین، نیز استفاده شود.
سیستمی که پیشنهاد شده است، ویژگی های زمان معکوسی و سایر مزیت های مداری را ایجاد می کند. استفاده از وسایل محدودکننده ی جریان به مدار، موجب می شود تا از ورود جریان های مخرب در طی دوره ی شروع کار، جلوگیری شود و از این رو، ویژگی های خاص شروع کار موتور را دارا می باشد. علاوه بر این، الزامات مربوط به مدار استارتر اضافی، با استفاده از این سیستم، حذف می شود. همچنین این سیستم قابل حمل می باشد، ساختن آن ساده تر است و قابلیت اعتماد بیشتری دارد. همچنین این سیستم فضای اندکی را اشغال می کند و تنها حاوی یک کنتاکتور، یک محدودکننده ی جریان و یک میکروکنترلر است.
سیستم های محافظتی قبلی همچنین مورد نظر می باشد اما این انتظار وجود دارد که این طراحی که با استفاده از فاز می باشد، کارایی بیشتری دارد. در مطالعات بعدی، می توان روش های تحت ولتاژ، اورولتاژ و روش های محافظتی دیگر نیز می تواند مورد بررسی قرار گیرد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
A Fuzzy Logic Based Overcurrent Protection System for Induction Motor/ Priyanka Nath et al.