التحكم في السرعة المنطقية للمحركات الكهربائية التحريضية

الهدف من التحكم في السرعة المنطقية للمحركات الكهربائية التحريضية

تتطلب محركات الأقراص الحثية عالية الأداء (IM) استجابة ديناميكية سريعة وقوة متغيرة للمعلمات وقدرات رفض وتنفيذ بسيط للبرامج والأجهزة، بحيث يعد التحكم الميداني (FOC) والتحكم المباشر في عزم الدوران (DTC) والتحكم التنبئي النموذجي (MPC)، حيث أن أكثر طرق التحكم شيوعاً لمحركات أقراص (IM) عالية الأداء، كما تعد فعالية أداء السرعة أمراً مهماً للغاية من أجل الموثوقية في محركات (IM).

بشكل عام، يتم تنفيذ وحدة التحكم النسبية المتكاملة (PI) كوحدة تحكم في السرعة في محركات محركات التيار المتردد، والتي تم الإبلاغ عنها للحصول على استجابة عابرة سريعة واستجابة حالة ثابتة جيدة، ومع ذلك عادة ما تكون وحدة التحكم (PI) حساسة لتغير معلمات المحرك وعدم خطية النظام واضطراب الحمل وتغيرات السرعة، مما يؤدي بالتالي إلى تدهور أداء المحرك الكهربائي.

لذلك تم اقتراح Fuzzy Logic Controller) (FLC)) كوحدة تحكم تكيفية لاستبدال وحدة تحكم (PI)، وذلك نظراً لأنها أقل حساسية لتغير المعطيات والمعالجة غير الخطية وقدرات رفض اضطراب الحمل والمتانة لتغير السرعة، بحيث جعلت ميزات (FLC) هذه الخيار الرئيسي لمحركات أقراص (IM) عالية الأداء.

وعلى مدى العقود القليلة الماضية، كان (FLC) هو المتحكم في السرعة المهيمن لمحركات (IM) التي تحصل على استجابة ديناميكية سريعة واستجابة حالة ثابتة فائقة، كما يعوض (FLC) خطأ السرعة بناءً على وظيفة العضوية (MF) المصممة من قبل الخبراء والقواعد الغامضة، كما أن هناك ثلاث قواعد (MF−) مختلفة يتم تنفيذها عادة لمحركات (IM: 7 × 7 MFs) مع (49) قاعدة، (5 × 5 MFs) مع (25) قاعدة و كذلك (3 × 3 MFs) مع (9) قواعد.

كذلك عدد (MFs) وحجم قواعد (FLC) له تأثير مباشر على أداء محرك الأقراص، وذلك مع زيادة عدد (MFs) وحجم القواعد، بحيث يتم الحصول على تغطية جيدة للمتغيرات الضبابية، ومن ثم تعمل محركات (IM) بشكل جيد في عمليات نظام محددة، كما تم التحقيق في تأثير حجم القواعد على أداء محرك الأقراص من قبل باحثين مختلفين والذين ناقشوا تأثير حجم القواعد على أداء المحركات المتدرجة من خلال تنفيذ (9، 25، 49) حجم القواعد وحجم (81) قاعدة.

كما استنتج الباحثون أن أفضل أداء للقيادة تم الحصول عليه من خلال حجم قواعد (49) ولم يتم إجراء أي تحسين بزيادة حجم القواعد إلى (81)، بالإضافة إلى ذلك طبقت ثلاثة أحجام مختلفة من القواعد (9 ، 25 ، 49) على محركات أقراص (IM) وذكرت أن (49) قاعدة أنتجت أفضل أداء أثناء اختبار المحاكاة، وعلى الرغم من إنشاء عبء حسابي كبير أثناء اختبار الأجهزة؛ أثبتت دراسات أخرى أيضًا تفوق (FLC) مع حجم قواعد أكبر على (FLC) مع حجم قواعد أقل للمحركات.

تاريخ المنطق الضبابي الخاص بالمحركات

تم تقديم (Fuzzy Logic) لأول مرة في أوائل السبعينيات، والذي اقترح أساسيات المجموعات الضبابية، حيث أدى هذا الاختراع إلى تقدم كبير في نظام التحكم حيث يحاكي المنطق الضبابي عملية صنع القرار البشري، وفي وقت لاحق في عام (1975م)، قدم الباحثون نظام الاستدلال الغامض للتحكم في المحرك البخاري والمراجل من خلال وضع قواعد التحكم في التوليف اللغوي بناءً على مشغلين بشريين خبراء.

كذلك أسس أساسيات نظام الواجهة الغامضة المستخدم حالياً والذي يتضمن التشويش وإلغاء التشويش لمتغيرات المدخلات الواضحة لاشتقاق متغيرات إخراج واضحة، حيث حظي نظام الواجهة الغامضة الذي أنشأه “إبراهيم ممداني” بقبول واسع النطاق ولا يزال قيد الاستخدام في التطبيقات الحالية، وبعد عقد من الزمان، قدم (Takagi-Sugeno) نظام واجهة ضبابي جديد يعمل بشكل مشابه لطريقة (Mamdani) باستثناء وظيفة عضوية المخرجات التي يجب أن تكون إما خطية أو ثابتة.

حيث أن الطريقة المقترحة مضغوطة وفعالة حسابياً، وذلك لأنها تستخدم وظائف عضوية الإخراج الثابتة أو الخطية التي يمكن أن تولد جدولًا غير متصل بالإنترنت، وذلك على عكس نوع (Mamdani) الذي ينشئ جدول بحث عبر الإنترنت، مما يزيد من إمكانات الحساب عبر الإنترنت للنظام الضبابي، ومع ذلك؛ فإن إنشاء جدول غير متصل بالإنترنت يستغرق وقتاً طويلاً وقد تؤدي دقته إلى تدهور أداء النظام.، كما تتمتع كل من أساليب (Mamdani و Takagi-Sugeno) باهتمام واسع النطاق في مختلف التخصصات.

نظام تحليل المحرك الكهربائي التحريضي IM

المحرك التعريفي (IM) هو محرك تيار متردد له مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والاستهلاكية بسبب بنيته المتينة وقلة الصيانة والموثوقية، ونظراً لاستخدامها المكثف في التطبيقات عالية الطاقة؛ فإنه تتطلب (IM)، وهو نظام محرك عالي الأداء للتحكم بكفاءة ودقة في عملياتها، كذلك هناك طريقتان شائعتان لمحرك الرسائل الفورية عالية الأداء هما التحكم الميداني (FOC) والتحكم المباشر في عزم الدوران (DTC).

كما أن كلاهما يعملان على أساس النمذجة الرياضية للرسائل الفورية لدفع سرعتها أو عزم الدوران، بحيث يعمل (FOC) عن طريق تفكيك عزم الدوران والتدفق إلى إطار (DQ) وبمساعدة تحويل الطور والتحكم في التباطؤ أو التحكم في ناقلات الفضاء، كما يمكن أن يولد نبضات تبديل للعاكس ويعمل (DTC) باستخدام اثنين من وحدات التحكم في التدفق وعزم الدوران لتحديد الأنسب متجه الجهد على أساس جدول تبديل محدد مسبقاً وفقاً لموضع التدفق وعزم الدوران وإشارات خطأ التدفق.

لذلك يوضح الشكل التالي (1) مخطط كتلة لنظام محرك (IM)، بحيث يتكون من نموذج (IM) ووحدة تحكم في السرعة، كما أن هناك طريقة محرك (FOC أو DTC) وعاكس مصدر جهد (VSI).

أيضاً يمكن نمذجة أنظمة محرك الحث (IM) رياضياً في إطارات مرجعية مختلفة مثل الإطار المرجعي الثابت حيث لا يدور محور (DQ) والإطار المرجعي المتزامن، حيث يدور المحور (DQ) بسرعات متزامنة أو إطار مرجعي دوار حيث محور (DQ) يدور بسرعة الدوار، كما أنه يتم تقديم معادلات الجهد (IM) المعبر عنها في الرتل المرجعي الثابت على النحو التالي:

كما ويتم التعبير عن معادلات التدفق المغناطيسي على النحو التالي:

حيث أن:

(Vsd ، Vsq): هي الفولتية المطبقة على الجزء الثابت.

(Isd ، Isq ، Ird ، Irq): هي التيارات المقابلة للتيار الكهربائي الثابت والمحور (d) و (q) والتيارات الدوار.

(φsd و φsq و φrd و rq): هي مكون التدفق الثابت والدوار.

(Rs ، Rr): هي مقاومات الجزء الثابت والدوار.

(Ls ، Lr): تدل على محاثة الجزء الثابت والدوار على التوالي.

(Lm): هي الحث المتبادل.

كما يمكن أيضاً كتابة معادلات متجه الفضاء لآلة الحث في الإطار المرجعي الثابت في شكل مصفوفة من حيث مكونات (d-q) الخاصة بهم من خلال:

مصطلح (S) في المعادلة السابقة هو معامل “لابلاس”، والذي يمثل العامل المشتق (d / dt)، كما يمكن أيضاً وضع معادلات متجه الفضاء في أشكال فضاء الحالة مع اختيار روابط التدفق أو التيارات كمتغيرات حالة، وخاصةً إذا تم اختيار تيارات الجزء الثابت والدوار كمتغيرات الحالة، وبإعادة الترتيب المعادلة؛ فإنه يمكن كتابة معادلة آلة الحث على النحو التالي:

كما يمكن كتابة معادلة عزم الدوران في شكل ميكانيكي:

حيث أن:

(J): هي اللحظة الكلية للقصور الذاتي.

(B): هي الاحتكاك اللزج.

(TL): هي عزم الحمل.

(ωr): هي السرعة الزاوية الكهربائية للدوار بوحدة (m).

(rad./s): هي سرعة المحرك بوحدة.