التحكم في سرعة التغذية للمحركات الحثية الكهربائية

يتم تقديم التحكم التنبئي في عزم الدوران متغير السرعة (PTC) لآلة الحث ذات الست مراحل (SPIM) التي يتم تغذيتها بواسطة محول مصفوفة متعدد الوحدات (M-MMC)، وفي هذا البحث يقوم هذا النظام الجديد بتحديد مزايا كل من الآلات الكهربائية متعددة الأطوار (أي تحمل الخطأ المتأصل وتوزيع أفضل للطاقة والتيار لكل مرحلة مقارنة بالآلات ثلاثية الطور).

ضرورة التحكم في سرعة التغذية للمحركات الحثية الكهربائية

تعتبر المحركات الكهربائية متعددة الأطوار بشكل متزايد لمجتمعات البحث والصناعة كخيار جيد لأنظمة التوليد والجر، كما يتمتع هذا النظام بالعديد من المزايا على الرغم من تعقيده مقارنة بالنظام التقليدي ثلاثي المراحل، أي قدرته على تحمل الأخطاء (بدون أجهزة إضافية) وإمكانية تقسيم الطاقة (أو التيار) للمحرك الكهربائي إلى عدد أكبر من المراحل وبالتالي تقليل تصنيف المحول لكل مرحلة.

كذلك تشكل هذه النقاط أسباب تطوير الأنظمة الكهربائية متعددة المراحل. استخدمت بعض الشركات الرمزية في القطاع الصناعي بالفعل أنظمة متعددة المراحل لحل بعض خطوط إنتاجها، بحيث تمتلك شركة (Hyundai) مصعداً فائق السرعة يعتمد على محرك متزامن مغناطيسي دائم ذو تسع مراحل، كما يتكون نظام القيادة من ثلاثة محولات طاقة ثلاثية الطور (BTB) متصلة بالتوازي.

وهناك مثال آخر وهو توربينات الرياح في جاميسا، بحيث يتكون نظام طاقة الرياح من مولد متزامن مغناطيسي دائم ذو (12) طور متوسط ​​السرعة ويستخدم أربعة محولات طاقة ثلاثية الطور (BTB) ذات مستويين جميعها متصلة بالتوازي تمثل محولات الطاقة أحد العناصر الأساسية اللازمة لتطبيقات الآلة متعددة الأطوار عالية الأداء، كذلك الاختيار الأكثر شيوعاً هو محول مصدر الجهد (BTB)، والمعروف بمسمى (VSC).

ومع ذلك، تشير اتجاهات البحث الجديدة إلى استخدام محولات الطاقة التي تقدم خصائص أفضل من طوبولوجيا (BTB) من حيث الحجم والوزن والعمر، لذلك يظهر محول المصفوفة (MC) كخيار جيد يوفر جهداً جيبياً ثلاثي الطور بسعة وتردد متغيرين باستخدام مفاتيح ثنائية الاتجاه يتم التحكم فيها بالكامل (Bi-Sw)، وعلاوة على ذلك؛ فإنه لا يحتاج (MC) إلى استخدام عناصر تخزين الطاقة (المكثفات أو المحاثات).

مخطط المحولات المتعددة للتحكم بالمحركات الكهربائية الحثية

تم اقتراح تنفيذ مخطط معياري لمحولات المصفوفة المباشرة ثلاثية الطور، والتي تسمى أيضاً محول المصفوفة متعدد الوحدات (M-MMC)، وبنجاح في أنظمة التوليد المكونة من ست مراحل لتوفير أحمال ثلاثية الطور؛ تم إدخال (M-MMC) أيضاً لربط مرحلة التوليد مع الشبكة الكهربائية، مما يُظهر مزايا مثيرة للاهتمام، كما يتمثل أحد الدوافع الرئيسية لهذا العمل في استكشاف المزايا المقدمة باستخدام (M-MMC) جنباً إلى جنب مع آلة الحث متعددة الأطوار (ست مراحل) (SPIM).

وبهذا المعنى؛ فإن استخدام الهيكل متعدد الوحدات يسمح باستخدام اثنين من مصادر طاقة الإدخال المستقلة.، وكمثال عملي هناك شبكة إمدادات المياه المحلية مع مضخة محرك (SPIM) ذات الست المراحل، حيث يمكن تشغيل (SPIM) بواسطة مولد تيار متردد ثلاثي الأطوار بواسطة وحدة واحدة وشبكة الطاقة التجارية من خلال الأخرى، كما تتمثل فكرة هذا النظام في توفير مزيد من التأكيد على أن مضخة المحرك ستستمر في العمل في حالة حدوث أعطال في أي من مصادر الطاقة الخاصة بها.

تفاصيل التحكم الكهربائي بالمحركات الحثية المقترح

تتمتع (PTC) بنفس مزايا إستراتيجية (FC-MPC)، مثل كونها سهلة الفهم وسهلة التنفيذ، كما ويمكنها التعامل مع غير الخطية ويمكنها التعامل مع العديد من المتغيرات في وقت واحد. كذلك لدى (PTC) بعض أوجه التشابه والاختلاف مقارنة باستراتيجيتي التحكم الرئيسيتين لمحركات الأقراص الكهربائية، مثل التحكم الميداني (FOC) والتحكم المباشر في عزم الدوران (DTC).

كذلك تحتاج استراتيجيات التحكم الثلاث (FOC ، DTC ، PTC) إلى التحكم في السرعة (PI)، ولتحقيق التحكم في السرعة القابل للتعديل لـ (SPIM)؛ فإنه يستخدم (FOC) نطاق أربعة وحدات تحكم (PI) الحالية لوحدات التحكم الداخلية، كما يستخدم (DTC) أربعة وحدات تحكم تخلفية وجدول بحث (LUT)، كما وتتخذ (PTC) دالة تكلفة لتقييم أخطاء عزم الدوران وحجم التدفق.

لذلك يحتاج (FOC) إلى تنسيق التحويل، وبالتالي؛ فإن زاوية التدفق ضرورية، كما توجد خوارزميات (DTC ، PTC) في الإطار المرجعي للجزء الثابت، بحيث لا يلزم تحويل إحداثيات، ومع ذلك لاستخدام (LUT)، كما يحتاج (DTC) إلى حساب زاوية تدفق الجزء الثابت، وهذا على الرغم من أن الزاوية تعمل على اختيار القطاع ودقة التقدير ليست مهمة مثل (MPCs).

كما يحتاج (FOC) إلى معدل للتعامل مع المتغيرات المستمرة والطريقتان الأخريان تجعل المغير غائباً بسبب ميزات التحكم المباشر الخاصة بهما، وبالنسبة لأعمال الضبط؛ فإن (FOC) لديها خمسة وحدات تحكم (PI)، حيث يجب حساب عشرة معلمات وضبطها، كما يتطلب (DTC) ستة معطيات، ومن بينها اثنتان لوحدات تحكم (PI) والأربعة الأخرى لنظام التباطؤ، بحيث يحتاج (PTC) إلى ثلاث معطيات مع اثنين لوحدات تحكم (PI) وعامل ترجيح واحد لوظيفة التكلفة.

إجراءات التحكم الكهربائي بالمحركات الحثية سداسية الطور

• التحكم في سرعة (PI): يتم تنفيذ التحكم في السرعة الميكانيكية لـ (SPIM)، وذلك بشكل غير مباشر بواسطة وحدة التحكم (PI)، والتي تولد استجابة عزم الدوران عند الخرج فيما يتعلق بالسرعة المرغوبة والمقاسة لـ (SPIM)، بحيث تمثل استجابة عزم الدوران هذه عند خرج وحدة التحكم المرجع الضروري لاستراتيجية (PTC).

• استراتيجية (PTC) الداخلية: تكتشف تقنية (FS-MPC) متجه التبديل الذي يجب تطبيقه في فترة أخذ العينات التالية من بين مجموعة من النواقل المحتملة من خلال الحسابات التنبؤية لسلوك متغيرات النظام في أفق معين، لذلك بالنسبة إلى (PTC)؛ فإنه يجب أولاً الحصول على النموذج الرياضي الذي يصف ديناميكيات النظام التي يجب التحكم فيها.

• ناقلات الفراغ وتبديل حالة التخفيض: يحتوي كل (MC) من ثلاث مراحل على (27) حالة تبديل صالحة (Sv)، ولدى (M-MMC) أيضاً (27 × 27) مكافئاً لـ (Sv = 729) حالة تبديل صالحة، بحيث يمثل هذا العدد من حالات (M-MMC) مشكلة كبيرة للتنفيذ في الوقت الفعلي بسبب عدد العمليات الحسابية، كما تتطلب (MPC) قدراً أكبر من الحساب مقارنةً بوحدات التحكم الكلاسيكية.

وأخيراً لقد تم إثبات أنه من الممكن استخدام طوبولوجيا محول المصفوفة متعددة الوحدات لتغذية آلة الحث من ست مراحل، وباستخدام خوارزمية التحكم في السرعة على أساس عزم الدوران التنبئي والتحكم في التدفق الكهرومغناطيسي؛ فقد تم توضيح فوائد الهيكل متعدد الوحدات المكونة من إمداد طاقة بخصائص مختلفة واستجابته لخطأ إحدى وحداته، وعلاوة على ذلك تم أيضاً تقديم إستراتيجية لتقليل عدد متجهات (MC) الصالحة التي تسمح بتنفيذ خوارزمية التحكم.

وبالتالي، تم تحقيق تخفيض من (729) إلى (169) متجهاً، مما قلل بشكل كبير من الوقت الحسابي لتنفيذ الخوارزمية، والتي يمكن من خلالها تنفيذ استراتيجية التحكم المقترحة مع وقت أخذ عينات يساوي (10) كيلو هرتز، بحيث تظهر نتائج الطريقة استجابة سريعة لعزم الدوران ومتابعة جيدة للسرعة المفروضة والتدفق الكهرومغناطيسي كمراجع مدخلات للنظام الكهربائي.