التحكم الكهربائي ذو التبديل المنخفض والخسارة المحدودة

تتناول هذه الدراسة التحليلية طريقة التحكم الكهربائي في التيار التنبئي (FCS-MPCC)، وذلك ضمن المعطيات عالية الأداء لمجموعة التحكم المحدودة للمحركات الكهربائية الحثية (IM)، وذلك لضمان أداء التحكم في النظام على نطاق تردد التبديل المنخفض (LSF)، حيث يكون فقدان التبديل منخفضاُ نوعاً ما.

الغاية من التحكم الكهربائي ذو التبديل المنخفض والخسارة المحدودة

بصرف النظر عن آلات المغناطيس الدائم (PMM)؛ يعد المحرك التعريفي (IM) أحد أكثر آلات الدفع شيوعاً في تطبيقات الدفع الكهربائي، وعلى الرغم من أن (IM) لديها مزايا التكلفة المنخفضة والهيكل القوي والموثوقية العالية والمخاطر الخالية من المغنطة؛ فإن كفاءة تحويل الطاقة لنظام القيادة القائم على (IM) أقل من النظام القائم على (PMM).

كما تجدر الإشارة إلى أن هذه المشكلة تمثل خسارة أكبر بكثير أثناء العمليات، مما يقلل من كفاءة الطاقة، ووفقاً لذلك، هناك حاجة شديدة لاتخاذ تدابير فعالة لتحسين كفاءة أنظمة القيادة القائمة على (IM)، وفي المحرك الكهربائي الحديث؛ فإنه يتم عادةً استخدام المحولات القادرة على نقل جهد التيار المباشر (DC) إلى التيار المتردد (AC) لتشغيل آلة الدفع.

ومع ذلك يجب أن تستهلك إجراءات التشغيل والإيقاف الخاصة بإلكترونيات القدرة يضمن طاقة إضافية، وهذا ما يسمى بفقدان التبديل، أما الآن من المسلم به على نطاق واسع أن خسارة التبديل هي جزء حاسم من الخسارة الكلية في المحرك الكهربائي، كذلك يمكن تلخيص طرق التوهين التقليدية لفقدان التبديل في مجموعتين، وهما التقنية المباشرة والتقنية غير المباشرة.

أما فيما يتعلق بالطريقة المباشرة، ونظراً لأن فقدان تبديل إلكترونيات القدرة يرتبط نسبياً بتردد التبديل؛ فإنه سينخفض ​​طالما تم ضبط تردد التبديل على مستوى منخفض عند تنفيذ خوارزميات التحكم، وبالنسبة للطريقة غير المباشرة تم استخدام تقنية التبديل الناعم لتجنب فقدان التبديل تماماً، ومن خلال استخدام دائرة (snubber) التي تتكون من عدة مكونات سلبية؛ فإنه يمكن منع حدوث قيم عالية في وقت واحد للجهد والتيار (تبديد الطاقة) أثناء عملية التبديل.

مساهمة التحكم التنبئي بضبط المجموعة المحدودة (FCS)

تم استخدام التحكم التنبئي لنموذج مجموعة التحكم المحدودة (FCS)، وهو الذي يتمتع بالبساطة الرائعة وقدرة التقييد القوية، وعلى نطاق واسع في مجموعات نقل الحركة الكهربائية المختلفة وبدون اعتماد أي مُعدِّلات لتوليد إشارة تعديل عرض النبضة (PWM)؛ يستخدم (FCS-MPC) مباشرةً خرج وحدة التحكم لتحديد حالة التبديل المثلى، وبالمقارنة مع طرق التحكم (FOC) التقليدية القائمة على المغير والتي يكون تردد تبديلها ثابتاً ويساوي تردد التحكم.

لذلك؛ فإن تردد التبديل لطريقة (FCS-MPC) غير مؤكد وأقل بمرتين من تردد التحكم، على سبيل المثال عندما يتم ضبط تردد التحكم على (10) كيلو هرتز، كما تكون ترددات التحويل الخاصة بـ (FOC) التقليدي و (FCS-MPC) هي (10) كيلو هرتز وأقل من (5) كيلو هرتز على التوالي، وفي هذا الصدد تعد (FCS-MPC) طريقة طبيعية لخسارة التبديل المنخفضة (LSL)، وعلاوة على ذلك يمكن تقليل خسارة التبديل لطريقة تنبؤي مرة أخرى بمجرد انخفاض تردد التحكم.

نمذجة المحرك الكهربائي الحثي والجانب التقليدي لـ DPPM

بالنسبة لاستراتيجية (FCS-MPCC)؛ فإن متغيرات التحكم في الاستهداف هي تيارات المحرك (M ،T -axis)، ومن الناحية النظرية تكون الخصائص الكهربائية المتعلقة بالجزء الثابت فقط مطلوبة عند بناء نموذج التنبؤ، ومع ذلك ونظراً لتأثيرات الاقتران القوية؛ فإنه يجب أن يشتمل نموذج التنبؤ لـ (IM) على خصائص العضو الدوار، وفي الإطار المرجعي الدوار يمكن وصف نموذج (IM) المستمر على النحو التالي:

حيث يمثل الجزء الأول من المعادلات خصائص الجزء الثابت، أما الجزء الثاني يمثل خصائص الجزء المتحرك.

(ISM ،IST): هما تيارات الجزء الثابت.

(usM ،usT): تعني جهد الجزء الثابت.

(ωe ،△ω): السرعة المتزامنة للآلة وسرعة الانزلاق على التوالي.

(irM ،irT): هما التيارات الدوارة.

(Rs ،Ls): هما مقاومة المحرك والحث على التوالي.

(R ، Lr): هما مقاومة الجزء المتحرك والحث.

(Lm): هو الحث المتبادل.

ومن الناحية العملية ونظراً لأنه لا يمكن قياس التيارات الدوارة؛ فإنه يجب التخلص منها عند التنبؤ بالحالات المستقبلية، وذلك من خلال استبدال الجزء الأول بالجزء الثاني، وبعد ذلك يمكن الحصول على ما يلي:

حيث أن (C) هو ثابت للعلاقة (C = LsLr − L2m)، أما (ωr) هي سرعة الدوار المقاسة، وثانياً بالنظر إلى أن نموذج (IM) في الإطار الدوار يعتمد على المبدأ الموجه نحو التدفق الدوار؛ فإن تدفق الجزء المتحرك (ψr) يفي أيضاً بالشروط التالية:

حيث أن:

(ψrM ،ψrT): هما تدفق الدوار (M ،T -axis) على التوالي.

(ψr): هو التدفق الكلي للعضو الدوار.

(Tr): هو ثابت الوقت الكهربائي لملفات الجزء المتحرك (Tr = Lr / R).

كما يمكن التعامل مع العلاقة بين تدفق الجزء المتحرك للمحور (M) وتيار الجزء الثابت كعنصر قصور ذاتي من الدرجة الأولى، وعندما يتم التحكم في (ISM) لتبقى ثابتة؛ فإن المعادلة السابقة يمكن تبسيطها على النحو التالي:

مقترح (FCS-MPCC) المناسب لحالات (LSF)

أولاً سيحلل هذا القسم بشكل حدسي أسباب انخفاض دقة التنبؤ الخاصة بـ (FCS-MPCC) التقليدية في مواقف (LSF)، وذلك باستخدام الأوصاف المادية، وبعد ذلك تم اقتراح طريقة جديدة (FCS-MPCC) التي تستند إلى تنبؤات ثلاثية الأطراف لمحركات (IM) لتقليل الآثار الجانبية التي تسببها (LSF)، كما أن الغرض من الطريقة الجديدة هو تضييق أخطاء التنبؤ الحالية لتحسين أداء التحكم الكهربائي.

عيوب (FCS-MPCC) التقليدية في حالات (LSF): عند استخدام (DPPM) القائم على تقدير أويلر لحساب التيارات المستقبلية، بحيث يمكن وصف عملية التنبؤ (مع أخذ isM كمثال) في الشكل التالي (1)، وعند تطبيق متجه جهد مرشح، حيث تمثل (i ∗ sM)، (isMr)، (isMp) تيارات المحور (M) المرجعية والحقيقية والمتوقعة على التوالي، بحيث يتم الإشارة إلى مشتقة تيار المحور (M) على النحو التالي:

وحدة تحكم (FCS-MPCC) المقترحة: فيما يتعلق بوحدة التحكم (FCS-MPCC) الجديدة؛ فإن المكونات التي يجب تصميمها تشمل:

• (DPPM) جديد لتطبيقات (LSF).

• إدخال وإخراج وحدة التحكم.

وأخيراً تقترح هذه الدراسة طريقة جديدة تعتمد على (SMO-FCS-MPCC) لـ (IMs) لتحسين أداء التحكم في النظام في مواقف (LSF) وتعزيز المتانة ضد عدم تطابق الحث المتبادل والدوار، كذلك المستجدات والمساهمات الرئيسية هي كما يلي:

• وفقاً للإجراءات التقديرية لطريقة (FCS-MPCC) التقليدية؛ فإنه يتم شرح أسباب انخفاض دقة التنبؤ لاستراتيجية “أويلر” بشكل بديهي من خلال استخدام الأوصاف المادية، وعلى هذا الأساس يُقترح (DPPM) استناداً إلى حسابات ثلاث مرات في كل فترة تحكم لتحقيق استراتيجية التحكم التنبؤية الجديدة.

• تم تصميم (SMO) المستند إلى (SF) لتحديد القيم في الوقت الفعلي للتحريض المتبادل والدوار، مما يجعل هذا البحث جديداً وذا قيمة، وذلك من خلال إنشاء دالة (Lyapunov)، بحيث يتم تحليل استقرار المراقب، وفي هذه العملية؛ فإنه يتم تحديد شروط الاستقرار باستخدام تقنية جديدة لتقدير الحد من الخطأ.

• تم دمج (SMO) في (DPPM) لوحدة التحكم (FCS-MPCC) لحل مشكلة عدم تطابق المعلمة، كما تُظهر طريقة (FCS-MPCC) المعتمدة على (SMO) أداءً أفضل من المخطط التقليدي، وعلى وجه التحديد ستختفي الأخطاء الثابتة، كما وستصبح تموجات الحالة المستقرة أقل في حالات عدم تطابق المعلمات.