التحكم بعزم الدوران للماكينة الكهروستاتيكية المتزامنة

أهمية  التحكم بعزم الدوران للماكينة الكهروستاتيكية المتزامنة

لقد أتاحت التطورات الأخيرة في مجال الآلات الكهروستاتيكية للآلات المتزامنة الكهروستاتيكية (SEMs) المثارة بطريقة منفصلة التركيب وتحقيق كثافة عزم الدوران، والتي تتنافس مع آلات المغناطيس الدائم المبردة بالهواء، حيث أن الزيادة في كثافة عزم الدوران جنباً إلى جنب مع الخسائر التي تكاد تكون صفرية عند التوقف والسرعات المنخفضة تجعل (SEM) مرشحاً مثالياً لتطبيقات المؤازرة من نوع الموضع والإمساك بالإضافة إلى محرك مباشر فعال منخفض السرعة.

كما أظهر (SEM) عزم دوران بقوة مقدارها (8) نيوتن متر عند سرعة صفرية مع خسارة (5) واط، بحيث تتطلب آلة المؤازرة ذات المغناطيس الدائم ذات معدل عزم الدوران المكافئ (شنايدر إلكتريك – BSH1003P11A2A) المستخدمة في مقياس القوة لهذه المقالة حوالي (100) واط من أجل نفس عزم الدوران في الكشك.

كما يرجع هذا التباين الصارخ في خسائر المماطلة إلى استخدام الكهرباء الساكنة للجهد القائم على إنتاج عزم الدوران، وذلك على عكس التيار القائم على إنتاج عزم الدوران، كما ويضفي ميزة كبيرة على الآلات الكهروستاتيكية في الروبوتات وتطبيقات الأتمتة الصناعية حيث يكون الوضع والاحتفاظ هو الهدف الأساسي.

أيضاً يتم تضخيم الحاجة إلى فقد منخفض من خلال تطبيقات الهاتف المحمول التي لديها كمية محدودة من طاقة البطارية، ومع ذلك؛ فإن العقبة الرئيسية في اعتماد هذه الآلات الكهروستاتيكية الجديدة لتطبيقات المؤازرة متغيرة السرعة هي عدم وجود حل قيادة وتحكم جاهز، والذي يمكن أن يوفر تعديلاً عالي الأداء لعزم الدوران، بحيث تعمل هذه المقالة على تعيين نظرية منظم ناقل الحركة المعقدة في عالم الكهرباء الساكنة منذ بداية استخدامه.

كذلك تتطلب الآلات الكهروستاتيكية جهداً متوسطاً عند مستويات تيار ملي أمبير لتحقيق معدل قدرة على مستوى القدرة الحصانية، ولكن غالبية طوبولوجيا المحرك التي يمكن أن توفر مستويات جهد متوسط مصممة لتطبيقات عالية الطاقة، حيث أن التحدي الرئيسي الآخر هو توافر أجهزة تبديل أشباه الموصلات، والتي يمكن أن تدعم مستويات الجهد المتوسط عند التيار المنخفض.

كما تم تصنيف معظم الأجهزة ذات الجهد المتوسط لمئات الأمبيرات نظراً لوجود طلب قليل نسبياً في السوق عند مستويات التيار الى الطاقة المنخفضة، وبالتالي؛ فإن عناصر التحكم التي تم تطويرها هنا تكتمل من خلال تطوير محرك مخصص أيضاً مع تصميم كلا جانبي محرك الأقراص حول الدائرة المكافئة للماكينة.

يظهر الرسم التخطيطي المكافئ للدائرة (SEM) غير المتوازنة في الإطار المرجعي المتزامن في الشكل التالي (1)، كما ويعطي الجدول (1) مواصفات (SEM)، وذلك بالنسبة للآلة الكهروستاتيكية، بحيث تخلق الشحنة الدوارة (MMF) خلفياً (تيار خلفي)، وذلك كما هو موضح في نموذج الدائرة المكافئة.

تعديل عزم الدوران في (SEM)

يتطلب تعديل عزم الدوران في (SEM)للتحكم في الفولتية الطرفية للتيار المتردد للآلة ويمكن تحقيقها باستخدام مصادر الطاقة التي تنظم الجهد، كما يتضمن العمل السابق على إمدادات الجهد المتناوب الخاضعة للتنظيم مصادر إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) وأنظمة من نوع عاكس مصدر الجهد المرشح (VSI) وعاكس المصدر الحالي (CSI) مع خرج سعوي.

كما يتم استخدام مرشح مغو مكثف مع (VSI) لتوفير جهد خرج منظم، ومع ذلك؛ فإن تصميم المكونات السلبية لهذا الهيكل يصبح مهماً بسبب وجود أصداء النظام، بحيث تم التحقيق في استخدام (CSI) المنظم للجهد المتردد، كما وتركز هذه التحقيقات على أنظمة (CSI) ذات المرشحات السعوية والأحمال الاستقرائية بهدف التحكم في الآلات الكهرومغناطيسية.

لذلك تعرض هذه الأنظمة ديناميكيات الدرجة الثانية مع صدى (LC) يُنسب إلى المكونات السلبية، كما يتم التحكم في الفولتية بشكل أساسي بواسطة وحدات تحكم من النوع النسبي المتكامل (PI) والرنين (PI)، بحيث تشير الازدواجية إلى أن ديناميكيات (SEM) المقترنة بـ (CSI) كنظام محرك تشبه ديناميكيات الترتيب الفردي تقريباً التي تعرضها (VSI) التي تتحكم في آلة كهرومغناطيسية.

وبالتالي؛ فإن منهجيات تنظيم الجهد الحالية التي تم تطويرها لأنظمة CSI المقترنة بالآلات الكهرومغناطيسية ليست مثالية لـ (SEMs)، كما أن (CSI) المزود بـ (SEM) أقرب ديناميكياً إلى (VSI) مع آلة كهرومغناطيسية تعرض تقريباً ديناميكيات الدرجة الأولى التي تستحق امتداداً لنهج التحكم من تلك المساحة.

كذلك تنظيم المتجهات المعقدة وأدوات التحكم القائمة على فصل التغذية المرتدة للحالة والتي تُستخدم لتحسين أداء المنظمين الحاليين، بحيث يمكن تعيينها إلى (SEMs) المقترنة بـ (CSI) لتنظيم الجهد عالي الأداء، بحيث يوضح الشكل التالي (2) بنية نظام عامة لهذا النهج، حيث تم تعيين الوظيفة الأساسية لعناصر التحكم في المجال الكهروستاتيكي.

وبشكل ضمني تهدف هذه الدراسة إلى إنشاء منهجية صارمة لتعديل عزم الدوران لوحدات (SEM) باستخدام تنظيم الجهد الذي تم تمكينه بواسطة نواقل معقدة، كما يتم تقديم المساهمات التالية لتطوير محرك (SEM) في هذا الطرح:

• التقييم التجريبي لديناميكيات منظم الجهد من خلال تقييم استجابة التردد والصلابة الديناميكية وتتبع الأوامر.

• عرض تعديل عزم الدوران لـ (SEM) عبر تنظيم جهد الحلقة المغلقة مع التحكم الموجه بالشحن.

• التحقق التجريبي من تنظيم الجهد المتجه المعقد باستخدام (CSI) أثناء ظروف التوقف والدوران.

ديناميكيات الآلة الكهروستاتيكية

تعتبر المعلمات السائدة التي تحدد ديناميكيات الآلة الكهروستاتيكية هي السعة الطرفية للجزء الثابت للماكينة (Cs) ومقاومة التسرب الموازية للجزء الثابت (Rs)، بحيث يعتمد إنتاج عزم الدوران للآلة على السعة المتبادلة بين الجزء الثابت والدوار الذي يوفره (Cmd)، تم تطوير نموذج المحور (dq) الديناميكي لـ (SEM).

حيث أن المعادلات (1) – (4) تلتقط الديناميكيات الكهربائية لـ (SEM) في الإطار المرجعي المتزامن، و المعادلة (5) تُظهر معادلة عزم الدوران لـ (SEM)، بحيث تحتوي معادلة عزم الدوران على شروط لكل من عزم المجال بسبب إثارة الدوار وعزم الدوران بسبب بروز الآلة، في الأنظمة الكهروستاتيكية يتم إنشاء عزم الدوران بسبب السعة المكانية السعوية للآلة وهو ثنائي عزم دوران الممانعة في الآلات المغناطيسية.

كما يتم توجيه المحور (d) للماكينة بشحنة الدوار لتحقيق التحكم الموجه بالشحنة حيث يمكن التحكم في عزم الدوران والمجال بشكل مستقل عن طريق تغيير جهد المحور (q) والمحور (d) على التوالي، بحيث يوضح الشكل التالي (3) مخطط كتلة المحور (dq) لآلة كهروستاتيكية ذات قطب بارز كما هو موضح في الإطار المرجعي المتزامن. يلتقط النموذج الديناميكيات الكهربائية جنباً إلى جنب مع توليد عزم الدوران.

كذلك نمذجة الأنظمة المتماثلة ثلاثية الطور ككميات معقدة لها تقليد طويل في هندسة الطاقة، بحيث يسمح هذا بتمثيل نظام الإدخال الفردي والمخرج وهو أمر مفيد لفهم الديناميكيات وتطوير وحدات التحكم للنظام، كما يتم إعطاء المتجه المعقد لرسم الخرائط العددية للمتجه (u) بواسطة المعادية (6).

كما توضح المعادلة (7) التمثيل المتجه المعقد للآلة الكهروستاتيكية في الإطار المرجعي المتزامن مع (MMF) الخلفي الموضح في المعادية (8)، كما يوضح الشكل التالي (4) الأطر المرجعية الثابتة والمتزامنة في شكل مخطط الطور، بحيث يمكن اعتبار الماكينة حمولة (RC) موازية إذا كان من الممكن فصل (MMF) الخلفي تماماً، كما ويظهر ذلك من خلال مخطط فدرة متجه معقد في الرتل المرجعي المتزامن في الشكل التالي (5).