التحكم الموحد بالآلات المتزامنة وانعدام خطية النظام الكهربائي

اكتسبت الآلات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) شعبية متزايدة في السنوات الأخيرة بسبب استخدامها المكثف في الأجهزة المنزلية والمركبات الكهربائية أو الهجينة وتوليد طاقة الرياح والمزيد من تقنيات الطائرات الكهربائية، كما تم اقتراح محاكاة نظام محرك موحد لجميع أنواع (PMSM)، بحيث يحقق هيكلها الموحد ضبطاً ذاتياً للتحكم الذاتي وتعويض الفصل بمجرد استبدال آلة بآخر.

أهمية التحكم الموحد بالآلات المتزامنة وانعدام خطية النظام الكهربائي

يلعب استخدام تقنيات الطاقة المتجددة والمستدامة دوراً حيوياً في التعامل مع المشكلات البيئية مثل الأمطار الحمضية والاحتباس الحراري والتغيرات المناخية وما إلى ذلك، ولهذا السبب تزداد شعبية الآلات الكهربائية؛ لأنها تسهل استخدام تقنيات الطاقة الخضراء، كما تعد آلات (PMSM) أنواعاً واعدة من آلات التيار المتردد بمزاياها المميزة مثل كثافة عزم الدوران العالية وكثافة الطاقة العالية والكفاءة العالية وما إلى ذلك.

ومن ثم، فقد تم استخدام آلات (PMSM) على نطاق واسع في الكثير من التطبيقات، وفي العقود القليلة الماضية بما في ذلك الطائرات والمركبات الكهربائية والهجينة (EV / HEV) وتوليد طاقة الرياح ومحركات المؤازرة والأجهزة المنزلية.

بشكل عام تم تطوير مجموعة متنوعة من طوبولوجيا آلة (PMSM) حتى الآن، واعتماداً على موقع المغناطيس الدائم (PM) والملفات؛ فإنه يمكن تصنيف آلات (PMSM) ضمن فئات آلة (Rotor-PM) و (Stator-PM)، في حين أن آلة (PM) المُثبتة على السطح وآلة (PM) المُثبتة بالداخل وآلة (PM) ذات القطب المتسلسل وحتى آلة (PM Claw Pole) هي من بين طوبولوجيا الآلة من نوع (Rotor-PM).

كذلك تشتمل طوبولوجيا الآلة من النوع (Stator-PM) على آلة عكس التدفق، وكذلك آلة (PM Mnemonic Flux)، وأيضاً آلة تحويل الجريان (PM) آلة (PM) البارزة بشكل مضاعف وما إلى ذلك، وبالإضافة إلى ذلك تكتسب آلات التردد المتزامن بمساعدة [PM (PMA-SynRM)] الاهتمام في السنوات الأخيرة، بحيث يتم إدخال (PMs) في حواجز التدفق لآلات (SynRM) لإنتاج عزم دوران محاذاة لـ “مساعدة” عزم الدوران.

تأثير درجات الحرارة على المكونات الداخلية للآلات الكهربائية المتزامنة

كما هو معروف جيداً؛ فإن درجات حرارة التشغيل في التطبيقات العملية لها تأثير كبير على ارتباط تدفق الجسيمات ومقاومة الجزء الثابت، في حين أن التشبع المغناطيسي له أيضاً تأثير كبير على ارتباط تدفق الجسيمات وتحريض الجزء الثابت، إلى جانب ذلك؛ فإن التوصيلات المتقاطعة وتنوعات خصائص المواد وتحمل التصنيع تجعل آلات التيار المتردد غير خطية بدرجة كبيرة.

كذلك هناك أيضاً أنظمة غير خطية تعتمد على إلكترونيات القدرة، وقد تؤدي إلى تدهور كبير في أشكال الموجات الحالية مما يزيد من تموجات عزم الدوران، لذلك إذا كان المصدر بطارية كما هو الحال في (EVs) أو (HEVs)؛ فقد يختلف جهد الإمداد أيضاً بشكل نموذجي بين (± 15٪) اعتماداً على حالة الشحن، وباختصار؛ فإنه من الضروري أخذ إلكترونيات القدرة والغير الخطية للآلة واختلافات الجهد (DC-link) في الاعتبار لتحقيق أداء تحكم محسن في التطبيقات العملية.

كما تمثل معالجة كل هذه الاختلافات في نظام القيادة تحدياً كبيراً في الدراسات لتحقيق التحكم الأمثل، حيث قام الباحثون على سبيل المثال بمعالجة معلمات الماكينة على أنها ثابتة ولكن من الواضح أن قدرة إنتاج عزم الدوران لمحرك الأقراص قد تقل بشكل كبير عند استخدام المعلمات الثابتة في وحدة التحكم.

تنفيذ نظام التحكم الكهربائي المقترح

الرسم التخطيطي لنظام محرك التيار المتردد ثلاثي الأطوار الأكثر شيوعاً موضحاً في الشكل التالي (1)، بحيث يتكون النظام من جهاز تحكم ومصدر جهد تيار مستمر وعاكس وجهاز (PMSM) أو (PMA-SynRM).، بحيث يتم تنفيذ هذه المكونات كنظم فرعية منفصلة في النهج المقترح، كما أن هناك حاجة إلى محولات الطاقة الحالية ومستشعر الموضع للتحكم في التغذية الراجعة.

نمذجة الآلة الكهربائية المتزامنة واستراتيجية التنفيذ المقترحة

نظراً لأن متغيرات الإطار الثابت هي متغير زمني في محركات التيار المتردد؛ يتم تحويل الإحداثيات إلى إطار مرجعي للعضو الدوار لتحقيق تحكم زمني ثابت موجه نحو المجال الواضح في الشكل التالي (2)، كذلك نمذجة اتفاقية الذروة المعروفة هي كما يلي:

حيث أن:

(Idq ،Vdq ،Ψdq ،Ldq): هي تيارات الإطار الدوار في (A)، الفولتية في (V) ووصلات التدفق في (Wb) والمحاثات في (H) على التوالي.

(Ψm): هو رابط تدفق (PM) في (Wb).

(p): هو عدد أزواج القطب.

(Rs): هو مقاومة الطور في (Ω).

(e): هي السرعة الكهربائية في (rad / s).

(Te): هو عزم الدوران الكهرومغناطيسي.

في (Nm)، وكما هو واضح في المعدلات السابقة؛ فإن هناك مكونات عزم الدوران (Te_m) ومقاومتها على أساس (PM).

تصميم وحدة التحكم الخاصة بالآلات الكهربائية المتزامنة

في استراتيجية التركيز البؤري التلقائي (FOC)؛ يتم دفع الأخطاء الحالية لمحاور (dq) إلى الصفر كما هو موضح في الشكل التالي (3)، كذلك مخرجات وحدات التحكم (PI) هي الفولتية الطورية ذات المحاور (dq)، وفي الواقع توجد مصطلحات الاقتران في آلة (PMSM) حقيقية كما ويجب فصل هذه المصطلحات في وحدة التحكم، ومن ثم يتم إضافة تعويض الفصل عند إخراج وحدات تحكم (PI).

كما أنه من الجدير بالذكر أن هذا ليس له تأثير في الحالات المستقرة من الناحية النظرية ولكنه يحسن الأداء العابر، وبالتالي قد يكون من المهم عندما تتغير السرعة بسرعة لأن السرعة تكتسب شروط الاقتران، وكما هو واضح المعادلات الرياضية السابقة؛ فإن معرفة معلمات الماكينة مطلوبة في وحدة التحكم لتعويض الفصل، وبالمثل هناك حاجة أيضاً إلى تحريض محاور (dq) وقيم مقاومة الجزء الثابت لضبط (PI)، كما يتم ضبط مكاسب وحدات تحكم(PI) في المحرك المقترح على أساس الطريقة التقنية المثلى.

آلية نمذجة العاكس الكهربائي غير الخطي وتنفيذها

يحتوي العاكس الأكثر استخداماً على ثلاثة أرجل واحدة لكل طور وجهد طور في حمل متوازن مقيدة من خلال:

كذلك يمكن تمثيل الفولتية الطرفية بجهد الطور الكهربائي:

وباستبدال المعادلتين السابقتين ببعضهما؛ فإنه يتم الحصول على الجهد الكهربائي المحايد إلى المركز.

ومن خلال العمليات الرياضية؛ فإنه يمكن الحصول على:

وبمجرد الحصول على الفولتية الطرفية؛ فإنه يمكن أيضاً الحصول على جهد الطور بواسطة المعادلة السابقة، ومع ذلك هناك انخفاض غير مرغوب فيه ولا غنى عنه في الجهد على جهاز أشباه الموصلات النشط، كما أنه ينتج عن هذا أشكال موجية مشوهة للتيار وزيادة تموجات عزم الدوران، ومن ثم؛ فإن انخفاض جهد العاكس يؤخذ في الاعتبار في النهج المقترح.

وأخيراً يتم تنفيذ العاكس غير الخطي في محرك الأقراص المقترح كما هو موضح في الشكل التالي (4)، بحيث يمكن الحصول على جهد العتبة ومقاومات الانحدار على الحالة من ورقة بيانات الشركة المصنعة في نظام عملي، كذلك يتم إنشاء تسلسلات التبديل بواسطة إستراتيجية (SVPWM) ويتم تطبيق وقت التأخير على كل أمر تبديل لتمثيل الوقت الميت، بعد ذلك يتم الحصول على الفولتية الطرفية باستخدام جهد ناقل التيار المستمر المقاس وتيارات الطور.