التحكم الكهربائي للانزلاق الطرفي والمعدل متزامن ثلاثي الأطوار

تتناول هذه الدراسة تصميم وحدة تحكم في وضع الانزلاق الطرفي المتكامل القائم على اضطراب الوقت المحدود من أجل الأداء الفعال للمعدلات المتزامنة ثلاثية الطور، كما تم تطوير تقنية التحكم المقترحة بناءً على نموذج الإطار المرجعي المتزامن التقليدي للمحول المتصل بالشبكة الكهربائية ثلاثي الأطوار.

الغرض من التحكم الكهربائي للانزلاق الطرفي

هناك مساحة شاسعة من التطبيقات للمقوم المتزامن ثلاثي الطور (SR) في العالم الصناعي مثل محركات المحركات المتجددة وإمدادات الطاقة الصناعية للتيار المستمر وناقل التيار المستمر المشترك لمحركات متعددة وكذلك أنظمة الجر (DC)، وهذا النوع من المحولات يكون كوحدة تحكم في تدفق الطاقة ثنائية الاتجاه، وهو منتشر في سوق الطاقة المتجددة أيضاً.

كما أن هناك ثلاثة أطر مرجعية شهيرة للنمذجة والتحكم في المحولات المتزامنة، منها الطبيعية (abc) والدورانية (αβ) والثابتة (dq)، بحيث يتم تحديد جميع تقنيات التحكم المتقدمة بناءً على أحد هذه الإطارات، والتي تمت مراجعتها من خلال التجارب، بحيث يتم التحكم في كل واحدة من التيارات ثلاثية الطور بشكل فردي في إطار (abc).

وبشكل عام؛ فإنه يمكن التحكم المباشر في ثلاثة تيارات تيار متردد بطريقتين، وذلك باستخدام مُعدِّل التباطؤ (بتردد تبديل متغير وعالي) أو تحويل أشكال موجات التيار الجيبي إلى نوع الجهد من خلال وحدة تحكم الرنين النسبي (PR) للتطبيق على محول مصدر الجهد الكهربائي، ومع ذلك حاول المهندسين التحكم في محول رباعي الأسلاك في الإطار الطبيعي للحفاظ على استقرار جهد النقطة المحايدة، وذلك بسبب عدم الاتزان والعقد غير الخطي من خلال تقنية الطرفية المتكاملة عالية الترتيب (HOIT).

كذلك تم تقديم النموذج الثالث لـ (SR) في الإطار المرجعي الدوراني المتزامن (dq)، وذل لتجنب استخدام وحدة التحكم في النظام الكهربائي، ونظراً للعمل مع قيم التيار المستمر؛ تعد هذه وحدة تحكم شائعة لـ (SR)، وقد تم فحص النمذجة والتحكم في محولات الطاقة في الشبكات الصغيرة وتم اقتراح تقنية التحكم في التدلي للتحكم النشط في تدفق الطاقة من المحولات على أساس حلقات تحكم (PI) متعددة في إطار (dq).

نمذجة التحكم للمعدل المتزامن ثلاثي الأطوار

يرد في الشكل التالي (1) مخطط عام أحادي الخط للمقوم المتزامن، بحيث يتم توصيل محول مصدر جهد ثلاثي الطور بمصدر ثلاثي الطور من خلال محاثة واجهة، كما يمكن اعتبار المصدر ثلاثي الطور بمثابة مكافئ (THEVENIN) لشبكة يتم فيها دمج مقاومة مكافئة متسلسلة في محاثة الواجهة، بحيث يتكون جانب التيار المباشر من بنك مكثف بالتوازي مع حمل مقاوم.

• تدفق الطاقة الكهربائية المعقد: للحصول على تفسير أفضل لمفهوم تدفق القدرة بين المحول والشبكة الكهربائية؛ فإنه يلزم إجراء دراسة معقدة لتدفق الطاقة، وذلك بافتراض مصدر جهد “مبرمج مثالي” بدلاً من محول حقيقي في الشكل السابق؛ فإنه يتم رسم دائرة مكافئة أحادية الطور في الشكل التالي (2).

حيث أن (Van ،Ean) هما قيمتا (RMS) لكل طور للمحول وجهود الشبكة الكهربائية على التوالي، بينما يتم تجاهل المقاوم لمحاثة الواجهة، كذلك يتم تعريف الطاقة المعقدة ثلاثية الطور عند محطة المحول على النحو التالي:

من خلال قانون الجهد (Kirchhoff)؛ فإنه يمكن كتابة المعادلة الحالية على النحو التالي:

وعن طريق استبدال (Ia) في المعادلة الأولى وفصل الأجزاء الحقيقية والخيالية؛ فإنه يتم الحصول على المكونات النشطة والمتفاعلة للطاقة المعقدة في:

تعتبر هذه معادلة مفيدة للغاية لتبرير سلوك كل تطبيق ممكن لمحول متصل بالشبكة ثلاثي الأطوار فيما يتعلق بشبكة التيار المتردد، وفي هذا النطاق يتم النظر في تطبيق (SR) بينما القيمة المثالية للطاقة التفاعلية المتبادلة هي صفر (Q = 0)، وذلك من خلال النظر في قيمة ثابتة لـ (Ean)، كما يجب أن يكون أثر (Van) على (Ean) مساوياً لـ (Ean) لتلبية شرط القدرة التفاعلية الصفرية، كذلك | Van | cosδ = | Ean |، وبعد ذلك، بحيث يتم تعيين التتبع الرأسي لـ (Van) للتحكم في مقدار الطاقة النشطة، (P∝ | Van | sinδ).

النموذج الديناميكي والتحكم الكهربائي في SR

بالنظر إلى جميع المعلمات الجانبية (AC) لـ (SR) في الشكل السابق (1)؛ فإنه يمكن كتابة مجموعة من المعادلات التفاضلية لكل مرحلة في رتل (abc)، والتي يتكون لها تغير زمني جيبي حسب المعادلة التالية:

من خلال تطبيق تحويل المعادلة التالية على (abc / dq)  وتغيير الإطار المرجعي الدوراني في المعادلة السابقة؛ فقد ظهرت معادلتان ثابتتان ومتعامدتان مع مكونات التيار المستمر من خلال:

حيث (ω) هو تردد شبكة طاقة التيار المتردد، والتي يتم استخلاصها من الحلقة المغلقة للطور (PLL)، كذلك التحويل (abc / dq) هنا للتأكيد على الدور المهم لـ (PLL) لاستخراج زاوية الطور اللحظي، وفي جميع التحليلات تقريباً؛ فإنه يُفترض أن تكون قيمة المرحلة متاحة بشكل مثالي دون أي شك، وفي الواقع يجب اعتبار (ωt) كإشارة مشربة مع اضطراب غير معروف.

الأهداف الرئيسية لتصميم وحدة التحكم الكهربائي لـ (SR)

هناك ثلاثة أهداف رئيسية لتصميم وحدة التحكم لـ (SR)، بحيث تتبع جهد التيار المستمر المطلوب (V-dc) مع توفير الطاقة النشطة المطلوبة وتقليل القدرة التفاعلية إلى الصفر، كما أنها تفي تقنية التحكم الكلاسيكية القائمة على منظم (PI) بكل هدف من الأهداف من خلال ثلاث حلقات تحكم (PI)، بحيث يوضح الشكل التالي الهيكل التفصيلي لوحدة التحكم القائمة على (PI).

في البداية يتم تسليم القيم الآنية لـ (Eabc) إلى كتلة (PLL) لاستخراج قيم التردد (ω) والطور (ωt) لشبكة الطاقة، كما يتم تحويل جميع التيارات المقاسة ثلاثية الطور (Iabc) إلى الإطار المرجعي الدوراني (Id & Iq)، بحيث يتم إجراء هذا التحول لـ (Eabc) إلى (Ed) أيضاً.

كما يعد تتبع جهد التيار المستمر هو الجزء الرئيسي من نظام التحكم وينتج (PI) الأول القيمة المطلوبة لتيار الوصول المباشر (I ∗ d) من إشارة خطأ (ΔVdc)، وبطبيعة الحال (I ∗ q) تساوي صفراً ليكون لها مكون نشط فقط. الجزء المتبقي من مخطط التحكم، حيث أن الهدف هو إنتاج جملتين معوض (ΔVd ، ΔVq) لتوليد القيم الصحيحة لـ (Vd ، Vq).

وهنا يحتاج مُعدِّل عرض النبضة لقيادة المحول إلى استقبال (m ، t +)، والتي يمكن إنشاؤها بعد حساب (Vd) ، (Vq)، كذلك كل من (m) و (δ ) قيمتان محددتان (0 <°m <1 ، |δ| <90∘) ، ويجب أخذها في الاعتبار في حلقات التحكم، أيضاً يعتبر خرج حلقة التحكم في الجهد (I ∗ d) قيمة محدودة أيضاً، وذلك نظراً للحد الاسمي لهيكل المحول الكهربائي.

في النهاية تم تطوير هيكل تحكم جديد لمقوم متزامن ثلاثي الأطوار على أساس وحدة التحكم في وضع الانزلاق الطرفي المتكامل، كما تم تنفيذ تقنية التحكم المقترحة على نموذج غير خطي ومتغير بمرور الوقت لمحول متصل بالشبكة ثلاثي الأطوار في الإطار المرجعي المتزامن التقليدي، بحيث اعتبر تباين حمل التيار المباشر بمثابة اضطراب خارجي، لذلك تم استخدام مراقب الاضطراب لتقدير القوة النشطة وبالتالي لإنتاج مقدار القيمة المرجعية للمحور المباشر لحلقة التحكم الحالية.