التحكم الكهربائي في تسريع محرك التحريض ANN

في هذه الدراسة، يتم تقديم مخطط جديد للتحكم في البداية الناعم يعتمد على “شبكة عصبية اصطناعية” (ANN) لنظام محرك تحريضي ثلاثي الطور (IM)، كما تتمثل المهمة الرئيسية لنظام التحكم في الحفاظ على ثابت عزم الدوران المتسارع عند مستوى بناءً على قيمة التسارع المرجعي.

الهدف من التحكم الكهربائي في تسريع محرك التحريض ANN

تستخدم المحركات الحثية (IMs) على نطاق واسع في أنظمة القيادة الكهربائية مثل المراوح ومحركات المضخات، كذلك الهيكل البسيط والتكاليف المنخفضة والخصائص الميكانيكية الجيدة وسهولة التشغيل والصيانة هي المزايا الرئيسية لـ (IMs)، ومن ناحية أخرى تواجه (IMs) تحديات كبيرة مثل عزم الدوران الكبير المتسارع وتيارات البدء العالية. مع عزم الدوران المتسارع الكبير، بحيث يتم تسريع المحرك بسرعة إلى سرعة محرك التحميل الكامل مما يهدد سلامة عملية التحميل.

كذلك قد يتسبب ذلك في ارتفاع الضغط في تطبيقات المضخة، بحيث يمكن أن تتعرض أنظمة السيور الناقلة للخطر من خلال الارتجاج والضغط على مكونات القيادة مثل التروس والسلاسل، كذلك قد تتعرض المراوح أو الأنظمة المزودة بمحركات سيور لانزلاق الحزام، وبالإضافة إلى ذلك تقوم تيارات البدء العالية بتسخين لفات المحرك وتضغط على محامل المحرك والعوازل الكهربائية، كما وتحدث انخفاضاً حاداً في جهد الشبكة وتولد تقلبات كهربائية أثناء عملية البدء.

كما أن هناك حاجة إلى مخطط بدء مناسب للتغلب على هذه المشاكل، حيث إن بدء تشغيل الجهد المنخفض وبدء تشغيل محرك التردد الكهربائي المتغير وتقنية الحالة الصلبة أو الجهد المنخفض الإلكتروني (بداية ناعمة) هي مخططات البدء الرئيسية، كما يتميز مخطط البداية الناعم بالعديد من المزايا مقارنة بالعديد من مخططات البدء، كذلك لها فعالية عالية وتكلفة منخفضة، بحيث يتكون المبدئ الناعم بشكل أساسي من مجموعة من الثايرستور المتتالي المتصل بملفات محرك الجزء الثابت.

تقنيات التحكم بتقليل عزم الدوران في المحركات التحريضية

لتقليل عزم الدوران المتسارع وبدء التشغيل؛ تم تنفيذ ثلاث تقنيات بداية ناعمة، وهي تقنية منحدر الجهد تقنية التحكم في التيار وتقنية التحكم في عزم الدوران تستخدم تقنية منحدر الجهد على نطاق واسع في المبتدئين التجارية الناعمة، كما يتم زيادة الجهد الطرفي (IM) تدريجياً عن طريق تقليل زاوية إطلاق الثايرستور حتى يتم الوصول إلى الجهد المقنن.

لذلك لا يضمن التحكم الفعال في التيار والتسارع أثناء عملية البدء. للتغلب على عيوب التقنية، بحيث يتم اقتراح تقنيات التحكم في التيار الكهربائي وعزم الدوران، كما تحافظ تقنيات التحكم الحالية على ثابت تيار خط المحرك عند قيمة محددة مسبقاً طوال وقت البدء، لذلك إذا كان محرك التغذية المرتدة أقل من القيمة المحددة مسبقاً؛ فإن زاوية الانطلاق تنخفض بناءً على دالة جيب التمام أو الأسية أو المنحدر، وخلاف ذلك تحدد وحدة التحكم ثابت زاوية الانطلاق لإعادة تيار خط المحرك إلى القيمة المحددة مسبقاً.

النموذج الرياضي لبادئ المحرك الكهربائي التحريضي الناعم

في البداية الناعمة، يتم التحكم في الجهد الطرفي (IM) عن طريق ضبط زاوية إطلاق الثايرستور (α) فيما يتعلق بالتقاطع الصفري لجهد الإمداد، واعتماداً على زاوية الانطلاق؛ تعمل (IM) في أحد أوضاع التشغيل الثلاثة، وهي ثلاث مراحل أو مرحلتين أو بدون طور، وفي العملية الجيبية الطبيعية؛ فإنه يجب ضبط زاوية إطلاق النار أسفل زاوية معامل القدرة (θ) للمحرك.

لذلك إذا كانت (α> θ) ، يبدأ المحرك في العمل في أوضاع التشغيل غير الجيبية، وعلى مرحلتين أو ثلاث مراحل تكون (2/3)، أما عندما تصبح ولا مرحلة من المرحلتين؛ فإنها تكون (0/2)، وللحصول على العلاقة بين زاوية إطلاق الدوران والتيار الثابت أو عزم الدوران؛ فإنه يتم تبسيط الدائرة المكافئة (IM) أحادية الطور من خلال إيجاد دائرة مكافئ (Thevenin) كما هو موضح في الأشكال التالية (1-A) & (1-B).

ومن خلال المعادلات التالية؛ فإنه يتم تحديد جهد [Thevenin (Vr)] ومفاعل [Thevenin (X)] بين العقد المسماة (c & d)، بحيث يعتمد تيار الجزء الثابت (Is) بشكل أساسي على جهد الطور الطرفي (Vt) والجهد المكافئ [Thevenin (Vr)]، بحيث يعتمد الجهد الطرفي (Vt) على (α)، بينما يعتمد الجهد (Vr) بشكل أساسي على القوة المحركة الكهربائية (Er).

نظراً لأن السعة والمرحلة (Er) تختلف باختلاف الانزلاق (أي سرعة المحرك) والتيار الثابت (Is) كما هو موضح في القسم الثاني من المعادلات؛ فإن تيار الجزء الثابت يعتمد على زاوية إطلاق النار وسرعة المحرك الكهربائي، وبعد تحديد تيار الجزء الثابت؛ فإنه يمكن حساب تيار الجزء المتحرك وعزم الدوران على أنهما:

حيث أن:

(Vr ، X): هما الجهد والمفاعلة المكافئتان لـ (Thevenin) على التوالي .

(I′r و، R′r ، X′r): عبارة عن تيار دوار ومقاومة ومفاعلة تسرب يشار إليها بالدائرة الثابتة على التوالي.

(Xm ، Te ، s ، ωr): هي مفاعلة الإثارة وعزم الدوران الكهرومغناطيسي والانزلاق والسرعة الزاوية للدوار على التوالي.

وحدة التحكم الكهربائية ذات البداية الناعمة والمعتمدة على ANN

للتغلب على مشاكل وحدة التحكم الكلاسيكية، تم تطوير مخطط التحكم في البداية الناعمة باستخدام (ANN) كأداة واعدة للغاية في مجال التحكم الذكي، حيث أن (ANN) مستوحى من هندسة وتشغيل الأنسجة العصبية البيولوجية، بحيث يمكنه اكتساب المعرفة وتخزين المعلومات من خلال عمليات التعلم، كما تعد شبكات (ANN) الموجزة والمتكررة فئات البنية الرئيسية.

وفي مخطط التحكم في التسارع المقترح، تكون مدخلات (ANN) هي سرعة المحرك وعزم الدوران، بحيث تعتمد زاوية إطلاق المخرجات بشكل أساسي على القيم الحالية للإدخال، أي أن الناتج ليس دالة للقيم السابقة، لذلك؛ فإن (ANN) المغذي مناسب هيكلياً للاستخدام، بحيث يتم تنظيم بنية (ANN) المغذية في طبقة إدخال واحدة وطبقة مخفية واحدة أو أكثر، وهي متبوعة بطبقة إخراج.

كذلك تحتوي كل طبقة على عدد محدد من الخلايا المفصلية، بحيث يعتمد عدد الطبقات والخلايا العصبية المخفية على نوع المشكلة والدقة المطلوبة، كما يوضح الشكل التالي (2) الخطوات اللازمة لتدريب وتطوير شبكة عصبية بمساعدة برنامج (MATLAB Neural Network Toolbox)، وفي أنواع التغذية الأمامية؛ تُستخدم تقنية الانتشار العكسي عادةً لضبط الأوزان حتى يصبح متوسط ​​الخطأ التربيعي (MSE) بين أنماط المخرجات الفعلية و (ANN) صغيراً.

وأخيراً تم التحقيق في مخطط جديد للتحكم في التسارع يعتمد على (ANN)، وذلك من أجل تغذية فورية ثلاثية الطور ذات بداية ناعمة، بحيث تمت محاكاة وحدة التحكم في التسارع المقترحة والتحقق من صحتها تجريبياً على نظام بادئ تشغيل ناعم بقدرة (3) كيلو واط (IM)، كما تم إجراء سلسلة من اختبارات المحاكاة والوقت الفعلي للتحقق من فعالية وحدة التحكم في ظل ظروف تحميل مختلفة.

ومقارنةً بنظام بدء التشغيل (DOL)؛ فإنه يمكن لوحدة التحكم في التسارع خفض الحد الأقصى لتيار بدء (RMS) بنسبة (50٪ ، 41٪) في ظروف عدم التحميل ونصف الحمل على التوالي، ومع زيادة وقت تسريع معقول (أي 0.42 ثانية و 0.67 ثانية ، على التوالي)، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يمكن لوحدة التحكم أن تقلل من أقصى تسارع (DOL) بحوالي (77٪ ، 84٪) في ظروف عدم التحميل ونصف الحمولة على التوالي.