THD و ITHD در طراحی محرک موتور PMSM و BLDC

1. THD (اعوجاج هارمونیک کل)

• تعریف: THD نسبت مجموع توانها (یا مقادیر RMS) همه اجزای هارمونیک به توان (یا مقدار RMS) جزء فرکانس اساسی در یک سیگنال است. معمولاً به صورت درصد (%) بیان می شود.

• دامنه: THD یک اصطلاح کلی است و می تواند به اعوجاج در شکل موج ولتاژ (THDv) یا شکل موج جریان (THDi) اشاره کند. اگر مشخص نشده باشد، زمینه معمولاً تعیین می کند که منظور کدام یک است.

  • برای تقویت‌کننده‌های صوتی یا خروجی منابع تغذیه/اینورتر، «THD» معمولاً به اعوجاج ولتاژ (THDv) سیگنال خروجی اشاره دارد.

• اهمیت: مقدار THD کمتر نشان می‌دهد که شکل موج به موج سینوسی خالص نزدیک‌تر است، یعنی اعوجاج کمتر.

  • تجهیزات صوتی: THD (ولتاژ) پایین برای بازتولید صدای با وفاداری بالا بسیار مهم است، به این معنی که صدای خروجی بسیار نزدیک به ضبط اصلی است بدون اینکه زنگ های ناخواسته اضافه شود.

  • منابع تغذیه/اینورترها: THD (ولتاژ) پایین در خروجی AC به معنای کیفیت برق بهتر است، که احتمال کمتری دارد باعث ایجاد مشکل برای وسایل متصل شود.

را

2. ITHD (تحریف هارمونیک کل جریان)

• تعریف: ITHD به طور خاص به اعوجاج هارمونیک کل شکل موج فعلی اشاره دارد. نسبت مقدار RMS تمام جریان‌های هارمونیک به مقدار RMS جریان اصلی را که به صورت درصد بیان می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. اغلب به صورت THDi یا THD-I نوشته می شود.

• محدوده: اعوجاج موجود در جریان گرفته شده توسط یک دستگاه الکترونیکی از منبع برق (به عنوان مثال، شبکه اصلی) یا تزریق شده به شبکه را اندازه گیری می کند.

• اهمیت: ITHD برای ارزیابی تأثیر دستگاه های الکترونیکی، به ویژه بارهای غیر خطی، بر کیفیت توان بسیار مهم است.

  • بارهای غیر خطی (مانند منابع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS) در رایانه ها و شارژرها، یکسو کننده ها، درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، درایورهای LED، دیمرها) جریانی را می کشند که سینوسی نیست، حتی اگر ولتاژ منبع تغذیه یک موج سینوسی کامل باشد. این جریان تحریف شده حاوی هارمونیک های قابل توجهی است.

  • پیامدهای ITHD بالا:

    • جریان های هارمونیک به شبکه برق برمی گردند و به طور بالقوه ولتاژ شبکه را مخدوش می کنند و سایر کاربران را تحت تأثیر قرار می دهند.

    • افزایش گرمایش و تلفات در سیم کشی ها، ترانسفورماتورها و هادی های خنثی.

    • تداخل احتمالی با سیستم های ارتباطی

    • کاهش ضریب توان کلی.

    • خاموش شدن آزاردهنده احتمالی کلیدهای مدار.

• استانداردها: نهادهای نظارتی و استانداردها (مانند IEEE 519) اغلب محدودیت هایی را بر میزان جریان هارمونیک (و در نتیجه ITHD) که تجهیزات مجاز به تزریق به شبکه برق برای حفظ ثبات و کیفیت شبکه هستند، اعمال می کنند.

را

منابع هارمونیک در درایوهای PMSM و BLDC

عوامل متعددی در تولید هارمونیک ها در درایوهای موتور PMSM و BLDC نقش دارند:

• سوئیچینگ اینورتر: منبع اصلی هارمونیک ها سوئیچینگ مدولاسیون عرض پالس (PWM) اینورتر است. فرکانس سوئیچینگ و استراتژی خاص PWM به کار گرفته شده به طور مستقیم بر طیف هارمونیک تأثیر می گذارد.

• Dead Time: زمان مرده لازم بین سیگنال های سوئیچینگ در پایه های اینورتر برای جلوگیری از اتصال کوتاه نیز باعث ایجاد اعوجاج شکل موج و ایجاد هارمونیک می شود.

• اجزای غیر ایده آل: ویژگی های غیر ایده آل سوئیچ های الکترونیکی قدرت، قطعات غیرفعال و مدارهای حسگر می توانند به اعوجاج هارمونیک کمک کنند.

• طراحی موتور (مخصوصاً برای BLDC): شکل موج ذوزنقه ای پشت-EMF یک موتور BLDC معمولی، بر خلاف EMF پشتی سینوسی تر یک PMSM، به طور طبیعی منجر به ویژگی های هارمونیک متفاوتی در جریان می شود که با تکنیک های کموتاسیون استاندارد کنترل شود. حتی در PMSM هارمونیک های فضایی در میدان مغناطیسی می تواند به هارمونیک های جریان کمک کند.

• استراتژی کنترل: الگوریتم‌های کنترل خاص مورد استفاده برای به حرکت درآوردن موتور نیز می‌توانند بر محتوای هارمونیک ولتاژ و جریان تأثیر بگذارند.

را

تاثیر THD و ITHD بر عملکرد موتور PMSM و BLDC

سطوح بالای THD و ITHD اثرات مضر متعددی بر عملکرد موتورهای PMSM و BLDC و سیستم درایو کلی دارد:

• موج گشتاور: جریان‌های هارمونیک با میدان مغناطیسی موتور برهمکنش می‌کنند تا ضربان‌های گشتاور ناخواسته ایجاد کنند. این موج گشتاور می تواند منجر به ارتعاش، نویز صوتی و کاهش دقت کنترل شود، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به کنترل حرکت صاف دارند. موتورهای BLDC، به دلیل ذوزنقه‌ای شکل عقب-EMF و معمولاً کموتاسیون 120 درجه‌ای، ذاتاً نسبت به PMSM‌هایی که با جریان سینوسی هدایت می‌شوند، در برابر موج‌های گشتاور ناشی از هارمونیک‌ها حساس‌تر هستند.

• افزایش تلفات و کاهش راندمان: جریان های هارمونیک به دلیل افزایش مقدار RMS جریان باعث تلفات مس اضافی (تلفات I2R) در سیم پیچ های موتور می شود. آنها همچنین به افزایش تلفات آهن (تلفات جریان گردابی و هیسترزیس) در هسته استاتور کمک می کنند. این تلفات اضافی منجر به کاهش راندمان موتور و افزایش دمای کار می شود و به طور بالقوه طول عمر موتور را کوتاه می کند.

• گرمای بیش از حد: افزایش تلفات ناشی از هارمونیک ها منجر به دمای عملیاتی بالاتر هم برای موتور و هم برای قطعات الکترونیکی قدرت درایو می شود. این می تواند مواد عایق را تحت فشار قرار دهد و منجر به خرابی زودرس شود.

• نویز و ارتعاش آکوستیک: موج‌های گشتاور و جریان‌های هارمونیک به افزایش نویز شنیداری و ارتعاش مکانیکی در موتور و سیستم محرک کمک می‌کنند.

• تداخل الکترومغناطیسی (EMI): لبه های سوئیچینگ سریع و محتوای هارمونیک ولتاژ و جریان می تواند تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کند که به طور بالقوه بر سایر تجهیزات الکترونیکی حساس تأثیر می گذارد.

• کیفیت توان کاهش یافته: از دیدگاه منبع تغذیه، ITHD بالا به این معنی است که درایو موتور جریان اعوجاجی را می کشد، که می تواند بر کیفیت ولتاژ برای سایر بارهای متصل در همان شبکه الکتریکی تأثیر منفی بگذارد. به همین دلیل است که استانداردهایی مانند IEEE 519 محدودیت هایی را برای اعوجاج هارمونیک تزریق شده به شبکه تعیین می کنند.

را

استراتژی های کاهش

برای به حداقل رساندن اثرات منفی THD و ITHD در طراحی درایوهای PMSM و BLDC، تکنیک‌های کاهشی مختلفی استفاده می‌شود، شبیه به آن‌هایی که در درایوهای موتور عمومی استفاده می‌شود، اما گاهی اوقات با ملاحظات خاصی برای نوع موتور:

• تکنیک‌های پیشرفته PWM: پیاده‌سازی استراتژی‌های پیچیده PWM (مثلاً مدولاسیون برداری فضایی برای PMSM) می‌تواند الگوهای سوئیچینگ را برای کاهش هارمونیک‌های خاص بهینه کند.

• فیلتر کردن: ترکیب سلف های AC در سمت ورودی (راکتورهای خط) یا سمت خروجی (راکتورهای موتوری) اینورتر، یا استفاده از فیلترهای غیرفعال یا فعال پیچیده تر، می تواند به کاهش جریان هارمونیک کمک کند.

• اینورترهای چند سطحی: با استفاده از توپولوژی های اینورتر چند سطحی می توان شکل موج های ولتاژی با محتوای هارمونیک کمتر در مقایسه با اینورترهای دو سطحی استاندارد تولید کرد.

• بهبود الگوریتم کنترل: اجرای استراتژی های کنترلی که به طور فعال هارمونیک ها را جبران یا سرکوب می کند، می تواند عملکرد را بهبود بخشد.

در نتیجه، THD و به ویژه ITHD نگرانی های مهمی در طراحی موتور محرکه PMSM و BLDC هستند. ماهیت سوئیچینگ اینورتر علت اصلی این هارمونیک ها است که به نوبه خود منجر به اثرات نامطلوب مانند موج گشتاور، کاهش بازده و افزایش گرما و نویز می شود. ملاحظات طراحی دقیق، از جمله استراتژی‌های مناسب PWM، فیلتر کردن، و تکنیک‌های کنترل بالقوه پیشرفته، برای مدیریت اعوجاج هارمونیک و اطمینان از عملکرد و قابلیت اطمینان بهینه سیستم‌های درایو PMSM و BLDC ضروری هستند.