استراتيجية التحكم الكهربائي في آلات الحث خماسية الأطوار

في آلة الحث خماسية الطور (IM) من الممكن استخدام الدائرة الكهرومغناطيسية بشكل أفضل من استخدام الدائرة الكهرومغناطيسية ذات المراحل الثلاث، بحيث يتطلب ذلك استخدام نظام محول مناسب يتم توفيره بواسطة آلة الحث، كما يشتمل نظام الدفع الكهربائي الموضح في هذه الدراسة على آلة الحث خماسية الطور التي يوفرها عاكس مصدر التيار (CSI).

الحاجة للتحكم الكهربائي في آلات الحث خماسية الأطوار

تعود فكرة التحكم في المحرك الحثي خماسي الطور (IM) إلى عام (1969)م كذلك المزايا الرئيسية لمحركات متعددة المراحل (الخمس أطوار) مقارنة بنظيراتها ثلاثية الطور، أيضاً استخدام أفضل للمواد الثابتة من حيث انخفاض التصنيف الحالي لكل مرحلة وموثوقية أكبر، حيث تعني القدرة على العمل أثناء خطأ المرحلة المفتوحة وإمكانية زيادة قيمة العزم الكهرومغناطيسي إلى حوالي (10٪ -12٪).

كما يعتمد مفهوم التحكم في الآلة خماسية الأطوار على اقتران جهازي افتراضي في محرك مادي واحد، وذلك لأن هذه الآلات الكهربائية تضمن قيمة أعلى لتوليد عزم الدوران من خلال استخدام التوافقيات الأساسية والتيار الثالث، وفي حالة الخمس مراحل (IM)، كما يمكن أن يكون مجال التطبيق الرئيسي لخمس مراحل (IM) هو نظام القيادة، على سبيل المثال التنقل الكهربائي (المركبات الكهربائية) والطائرات الكهربائية (الطائرات بدون طيار) أو دفع السفن ومحركات الجر الكهربائية.

أنظمة التحكم الخاصة بالمحركات الكهربائية الحثية خماسية الطور

من خلال الدراسات؛ فإنه يتم تقديم أنظمة التحكم الخاصة بـ (IM) متعدد الأطوار التي يتم توفيرها بشكل أساسي بواسطة (VSI)، لذلك أدى تطوير الترانزستورات الإلكترونية للطاقة إلى أن الهياكل القائمة على (VSI) هي الأكثر شيوعاً، وفي أكثر من (30) عاماً، كما تتمتع بخصائص أفضل من (CSIs)، ومع ذلك وفي كثير من الأحيان؛ تشير الأبحاث المتعلقة بمكونات الطاقة الإلكترونية الجديدة لـ (CSI) إلى الحل وإمكانية “إعادة تنشيطها” بالإضافة إلى تطبيقاتها المختلفة.

كما أن الخصائص الرئيسية لاستخدام المحركات الكهربائية (CSI) هي التوافقي الأساسي الجيبي “شبه” للتيار والجهد الثابت وعدم إجهاد جهد الجزء الثابت (du / dt)، وفضلاً عن إمكانية توصيل الكابل الطويل بالماكينة بدون الجهد الكهربائي الزائد للجزء الثابت؛ تتسبب خصائص محركات (CSI) هذه في أن موضوع البحث حول تطوير المحركات الكهربائية باتجاه متعدد الأطوار لا يزال فعلياً وغير مكتشف ومثير للاهتمام.

هياكل التحكم لتقليل فقد الطاقة الكهربائية في المحركات خماسية الطور

في الحل المقترح لهياكل التحكم لتقليل فقد الطاقة في جسر الترانزستور (CSI) وكذلك في وصلة التيار المستمر، لا يتم تثبيت تيار وصلة التيار المستمر على القيمة الثابتة، وفي أنظمة التحكم يشترط أن يرتبط تيار الارتباط المستمر بقيمة عزم الدوران الكهرومغناطيسي في نطاقات النظام الأولى والثانية عن طريق إدخال عامل إضافي.

كذلك متغيرات التحكم هي الجهد المحدد في الشكل التالي (1)، وذلك كمدخل إلى وصلة التيار المستمر والسرعة الزاوية (ωif) لمتجه تيار الخرج، كما هو مبين في الشكل (1) كما لو (ifa ،b ،c ،d ،e)، بحيث يتم الحصول على متغيرات التحكم هذه بموجب قوانين التحكم في التغذية المرتدة الكلاسيكية لطائرات النظام الأولى والثانية المقدمة في القسم التالي، وذلك باستخدام تحويل متغيرات الحالة المقدمة.

كما يُقترح تقسيم الجهد الكهربائي على شكل [ed (1) و ed (2)]، مما يعني أنه تم الحصول على [ed (1)] في مستوى النظام الأول و [ed (2)] لنطاق النظام الثانية، بحيث تجدر الإشارة إلى أنه يمكن معاملة [ed (2)] على أنه متغير التحكم الظاهري (الجهد الظاهري، والذي لا يوجد في دائرة (CSI) بسبب وجود دائرة ارتباط مباشر واحدة فقط).

لذلك يحتوي قانون التحكم في التغذية الراجعة المقترح على العامل الإضافي الذي يسمح بالحفاظ على قيم الإدخال المرجعية للنظام وكذلك الفصل في مسارات التحكم للمتغيرات الكهروميكانيكية والكهرومغناطيسية، اذا لم يتم تقديم الحلول المقترحة من قبل للآلة ذات الخمس مراحل التي قدمتها (CSI)، حيث إنه يوفر إمكانيات توليد مستقل من التوافقيات الأولى والثالثة لتحسين استخدام الدائرة الكهرومغناطيسية للآلة خماسية الطور.

صياغة المشاكل الخاصة بالآلات الكهربائية الحثية خماسية الطور

مخطط القيادة الكهربائية

يتم تقديم مخطط الدفع الكهربائي في الشكل السابق (1)، كما يوجد مصدر الجهد المتحكم فيه، والذي يمكن تحقيقه بواسطة مقوم مصدر التيار ثلاثي الطور، وهي دارة (DC-link) مع المحث (Ld) وهي عشرة ترانزستورات مع السلسلة؛ جسر الثنائيات المتصلة ومكثفات الخرج (CM)، كما يمكن أن تكون متغيرات التحكم في نظام القيادة الموضحة في الشكل هي مكونات ناقل تيار الخرج [ifα (i)] أو [ifβ (i)] أو جهد الدخل (ed) وسرعة متجه تيار الخرج الزاوية [ωif (i) ].

النموذج الرياضي للآلة ذات الخمس مراحل

يمكن تحويل نظام الإحداثيات المرجعية خماسي الطور (a-b-c-d-e) إلى مستويين متعامدين مستقلين وثابتين [α (1)-(1) و α (2) -β (2)]، ونتيجة للتحول؛ فإنه يتم الحصول على متغيرات متجه الحالة في مستويين مرتبطين بالتوافقية الأولى الأساسية والثالثة على التوالي، حيث أن المعادلات التفاضلية للنموذج الرياضي للتيار الكهربائي الثابت وناقلات تدفق الجزء المتحرك لها تكون:

حيث أن:

[(i = 1 ، 2) ، (is) ، (i) ، us (i) ، و ψr (i)]: هي تيار الجزء الثابت والجهد الثابت ومتجهات تدفق الجزء المتحرك على التوالي.

(J): هو القصور الذاتي للنظام.

[Te (i)]: هو عزم الدوران المتولد في المستوى (i) ويتم تعريفه على النحو التالي:

وللتبسيط بحيث يتم تقديم معاملات أخرى كـ:

وهنا يتم الإشارة إلى مقاومة الجزء الثابت والدوار بواسطة (Rs ، Rr) والتحريض الذاتي بواسطة (Ls ، Lr) والحث المتبادل بواسطة (Lm) على التوالي.

النموذج الرياضي للرسائل الفورية في نظام الإحداثيات (x–y)

من أجل تصميم نظام التحكم (IM) الذي يوفره (CSI)؛ فإنه من الأفضل ربط متجهات (IM) ذات الطور الخمس بنظام الإحداثيات (x – y)  حسب الشكل التالي (2)، وبعد ذلك يكون نموذج المراسلة الفورية خماسي الأطوار في نظام الإحداثيات (x – y) له النطاق الرياضي التالي، حيث [ωif (i)] هي السرعة الزاوية لإطار إحداثيات (x – y).

وأخيراً تقدم هذه الدراسة استراتيجيتين للتحكم في الرسائل الفورية ذات الخمس مراحل التي يوفرها (CSI)، لذلك كان من المفترض أنه من الممكن توليد التوافقية الأساسية (في مستوى النظام الأول) مع التوافقي الثالث (في مستوى النظام الثاني)، وفي دراسة هذا الموضوع؛ لم نستخدم الحقن التوافقي الثالث في نظام القيادة الذي يوفره (CSI).

ومن وجهة النظر هذه؛ فإن الحل المقترح في هذه الدراسة هو النهج الجديد، وخاصة استراتيجية التحكم مع الخطية متعددة الحسابات وقانون التحكم في ردود الفعل الحكومية مع متغيرات التحكم [(ed (1) ، ωif (1)) و (ed ( 2) ، ωif (2))] لدائرة الوصلة المستمرة “الظاهرية”، بحيث تسمح استراتيجية التحكم المقدمة في هذه الدراسة بالتحكم في متغيرات الحالة لـ (IM) في مستوي النظام الأول والثاني بشكل مستقل.