استراتيجية الاستشعار المباشر بالتيار الكهربائي للآلات الكهربائية PMSM

تحليل استراتيجية الاستشعار المباشر بالتيار الكهربائي للآلات الكهربائية PMSM

تؤثر مجموعة متنوعة من معدات الطاقة على أداء شبكة الطاقة الكهربائية بما في ذلك الآلات الكهربائية وخطوط النقل والمحولات وما إلى ذلك، حيث تلعب الآلات الكهربائية دوراً مهماً في جودة الطاقة الكهربائية والطاقة موثوقية النظام، ومع ذلك؛ فإن الأخطاء المختلفة، بما في ذلك خطأ اللف وخطأ العاكس وخطأ المستشعر، بحيث تؤدي إلى تدهور التحكم في الماكينة الكهربائية، لذلك قد يؤثر على الشبكة الكهربائية.

كما أن خطأ المستشعر على وجه الخصوص هو سيناريو خطأ شائع، وذلك ووفقاً لمسح عن أعطال نظام الآلة الكهربائية في تطبيق الرياح؛ فإن أعطال النظام الناتجة عن أعطال المستشعر تصل إلى (14.1٪) من إجمالي حالات الفشل، مما يعني أن هذه المستشعرات في النظام هي أجهزة ضعيفة للغاية، لذلك من الأهمية بمكان تحديد عطل المستشعر الذي يساعد على تجنب فشل نظام الماكينة في ظل حدوث خطأ في المستشعر.

ومن بين أخطاء المستشعر المختلفة، يعد خطأ مستشعر تيار الماكينة مهماً حيث يتم إدخال قياس المستشعر في نظام التحكم مباشرة وقد تتسبب الإشارة المعيبة في حدوث خطأ كبير في أمر التحكم، وللتخفيف من تأثير هذا النوع من الأخطاء؛ فإنه من المستحسن للغاية اتباع استراتيجية للكشف عن أعطال جهاز استشعار التيار الكهربائي والعزل (FDI).

كما أن هناك طريقة سهلة ومباشرة تتمثل في إضافة المزيد من أجهزة الاستشعار وإجراء الاستثمار الأجنبي المباشر مع تكرار أجهزة الاستشعار، ومع ذلك؛ فإن هذا التكرار يجلب المزيد من التكلفة والوزن بالإضافة إلى تعقيد الأجهزة، وذلك للتخلص من هذه العيوب، بحيث تم بذل الكثير من الجهد لتطوير أساليب استشعار الاستثمار الأجنبي المباشر مع تكرار أجهزة الاستشعار التحليلية.

كما تم اقتراح طريقة قائمة على مراقب حالة (Luenberger)، والتي تم تطويرها من نموذج الآلة، بحيث يتم استخدام المتبقي بين المعلومات المقدرة والمقاسة لاستشعار الاستثمار الأجنبي المباشر، ومع ذلك؛ فإن مراقب حالة (Luenberger) حساس لتغيرات معطيات النظام التي تحدث في ظل تغير درجة حرارة البيئة وتقادم نظام الماكينة.

ومع ذلك؛ فإن طريقة الاستشعار المباشر هذه تحتاج إلى مراقبي الحالة الضبابية (Takagi-Sugeno)، والتي يصعب تصميمها، حيث اقترح الباحثون طريقة مع مراقبي الشبكة العصبية المستندة إلى النموذج (NN) لتقدير التيار أو الجهد الكهربائي، والتي تتم مقارنتها لاحقاً بإشارات الاستشعار الخاصة بالاستثمار الأجنبي المباشر في نظام طاقة الرياح القائم على المغناطيس الدائم المتزامن (PMSM).

طريقة الاستثمار المباشر لجهاز استشعار التيار الكهربائي PMSM

نظرة عامة على نظام (PMSM) مع مستشعر (FDI)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1)، كما يتم حساب أوامر التحكم تحت عزم الدوران المحدد (T ∗ e) وجهد بطارية وصلة (DC VDC) وسرعة الماكينة الميكانيكية (ωm)، بحيث يتضح في الشكل (1) أن قياسات المستشعر لتيار الآلة ثلاثي الطور يتم إدخالها في نظام التحكم والتي تُستخدم مباشرة لحساب أمر التحكم.

كما سيؤدي الخطأ في قياسات المستشعر الحالي إلى إنشاء أوامر غير صحيحة تتحدى أداء نظام (PMSM)، وذلك للتخفيف من تأثير خطأ مستشعر تيار الماكينة، كما ومن المستحسن للغاية تطوير ودمج طريقة (FDI) المستشعر في خوارزمية التحكم في الماكينة، بحيث يعرض الجدول (1) ملخصاً لأعطال جهاز استشعار التيار الفردي أو المتعدد وسيناريوهات الخطأ الفردي غير المستشعر.

كذلك يمكن أن يحدث خطأ في المستشعر الحالي في كل مرحلة من المراحل الثلاث، أيضاً يمكن أن تعرض المراحل المختلفة أعطال المستشعر في نفس الوقت، بحيث توجد أحياناً أيضاً أخطاء غير متعلقة بالمستشعرات، مثل عدم التوازن ثلاثي الطور وخطأ عاكس الطاقة وما إلى ذلك، وفي نظام الآلة. يمكن ملاحظة ميزات مختلفة تحت هذه الأخطاء والتي سيتم شرحها بمزيد من التفصيل أدناه.

كشف أعطال جهاز الاستشعار: يُشار إلى مكونات الطاقة المختلفة التي تُظهر تدفق طاقة نظام (PMSM) في الشكل السابق (1)، حيث يمثل (pin ، pe ، pm) طاقة ارتباط التيار المستمر والطاقة الكهربائية للإدخال (PMSM) والطاقة الميكانيكية الناتجة على التوالي، وذلك وفقاً لمبدأ توازن الطاقة الكهربائية.

حيث أن (pinv) هي الخسارة هي فقدان طاقة العاكس.، كما أنه من المفترض أن يكون رابط التيار المباشر عبارة عن بطارية تخزين في هذه الدراسة مع مرور (ib) الحالي من خلاله، وبالتالي يمكن اشتقاق:

حيث أن (VDC) هو جهد البطارية المقاس عند وصلة التيار المستمر. يمكن حساب الطاقة الكهربائية للإدخال (PMSM pe) على أنها:

حيث أن (vd و vq) هما الفولتية و(id و iq) هما التيارات الموجودة في (d – و q -) المحور على التوالي في إطار مرجعي دوار متزامن لمحور (dq)، كما يمكن تقدير فقد العاكس بناءً على معطيات جهاز أشباه الموصلات في ورقة البيانات مع الاستيفاء الخطي مع مراعاة تأثيرات درجة الحرارة، كما يعود فقدان الطاقة في المعادلة الأولى في الغالب إلى خسائر أشباه الموصلات التي يمكن اشتقاقها على شكل:

حيث أن (N) هو العدد الإجمالي لأجهزة أشباه الموصلات في العاكس، كذلك (pcon ، psw) هما خسائر التوصيل والتبديل لجهاز أشباه الموصلات على التوالي، وذلك وفقاً للمعادلات السابقة، كما أنه يتم توفير تيار بطارية وصلة (DC) بواسطة:

كما أن هذا المتبقي هو مؤشر في الطريقة المقترحة لمعرفة ما إذا كان هناك خطأ، بحيث يوضح الشكل التالي (2) الطريقة المقترحة لاكتشاف خطأ مستشعر التيار الكهربائي (PMSM)، وذلك في حالة عدم وجود خطأ، كما يجب أن تكون تيارات بطارية رابط التيار المباشر عن طريق القياس والتقدير متساوية، أي الضلع (0).

وفي حالة وجود خطأ في جهاز استشعار تيار الجهاز؛ فإن (iˆb) المقدرة بناءً على إشارة المستشعر غير الصحيحة ستنحرف عن القيمة المقاسة، كما ينتج عن هذا عدم مساواة بين قياس وتقدير تيار بطارية وصلة التيار المستمر، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الضلع، وبالتالي يمكن تحديد قيمة العتبة (δib) للمقارنة مع الضلع المتبقي الحالي لوصلة (DC) للكشف عن الخطأ، خاصةً إذا تم تجاوز ضلع (δib) المحدد مسبقاً بواسطة الضلع؛ فهناك خطأ في نظام الجهاز.

لذلك لا مفر من وجود بعض أخطاء تقدير الخسارة بسبب أخطاء معلمات النظام وتأثير البيئة المحيطة مثل درجة الحرارة، ومع ذلك يمكن معالجة مشكلة الخطأ هذه عن طريق تحديد عتبة مناسبة للكشف عن الأخطاء، والتي تتعلق بحساسية الطريقة للأعطال.

وعند تحديد قيمة عتبة عالية، ستقدم طريقة الكشف عن الأخطاء المقترحة درجة تحمل عالية لأخطاء معلمات النظام بالإضافة إلى التأثير البيئي، مما يساعد على تقليل معدل الكشف الخاطئ أثناء تنفيذ الاستثمار الأجنبي المباشر، ومن ناحية أخرى، كما سيؤدي اختيار العتبة العالية إلى حساسية كشف ضعيفة من حيث بعض أخطاء المرحلة المبكرة والتي عادة ما تكون غير خطيرة.