التشغيل المتقدم لمحرك التيار المستمر باستخدام دائرة التحويل

ضرورة التشغيل المتقدم لمحرك التيار المستمر باستخدام دائرة التحويل

في الوقت الحاضر، تعد محركات التيار المباشر بمثابة القوة الرئيسية لمعظم “العمليات الصناعية”، بحيث تجد هذه المحركات مجالاً واسعاً من التطبيقات مثل الحركات الآلية و”المعالجات الأوتوماتيكية” والمركبات الكهربائية والهجينة ونظام الجر وأنظمة المؤازرة وطواحين الدرفلة والتطبيقات المماثلة التي تتطلب عملية مناسبة.

كما تُصنف “محركات التيار المستمر” ونظام التحكم والقيادة المرتبط بها على أنها الخيار الأول مقارنةً بمحركات التيار المتناوب (AC) المتوفرة وأنظمة القيادة والتحكم الخاصة بها، بحيث يكتسب محرك التيار المستمر هذه الشعبية نظراً للعديد من المزايا مثل بساطة نظام التحكم والقيادة الخاص به مقارنةً بنظيره من التيار المتردد.

كما أن الاختلاف الخطي لعزم الدوران والسرعة مقابل جهد المحرك المطبق والسرعة التي يتم التحكم فيها على نطاق واسع ونطاقات عزم الدوران التي يتم التحكم فيها على نطاق واسع وضغط الحجم مع ارتفاع كفاءة الطاقة لمحركات المغناطيس الدائم DC) (PMDC))، وأخيراً التكلفة الإجمالية المنخفضة.

وللتحكم في موضع دوار محرك (DC) أو سرعة الدوار أو عزم الدوران المطور؛ فإنه يتم التحكم في تيار مجال المحرك أو جهد المحرك لتحقيق هدف التحكم، كما يتم استخدام جهد طرف المحرك من خلال الدوائر الإلكترونية للطاقة في الغالب في نظام التحكم في المحرك خاصة بالنسبة للآلات الكهربائية عالية الطاقة نسبياً.

كما يؤدي تطبيق تعديل عرض النبضة (PWM) بجهد كبير لوصلة (DC) إلى لفائف المحرك مع استراتيجية التبديل الصلبة (كما هو الحال في دائرة المروحية التقليدية) إلى سلوك ديناميكي غير مرضٍ، بحيث تؤدي الاختلافات المفاجئة في الجهد والتغيير المصاحب في تيار المحرك المقابل لتبديل (PWM) إلى بدء مجموعة واسعة من التوافقيات الحالية والجهد الكهربائي، مما يؤدي إلى تموجات عزم الدوران والاهتزازات الميكانيكية المصاحبة والضوضاء الصوتية.

العوامل التي تؤثر محرك التيار المستمر

أصبح الاهتزاز الميكانيكي والضوضاء في المحركات الكهربائية من أهم العوامل لاختيار المحرك للقيام بمهمة معينة، كما يتم إثارة صوت الضوضاء والاهتزاز في المحرك بشكل أساسي بسبب قوى الإثارة الكهرومغناطيسية غير المناسبة التي تتغير باستمرار في الزمان والمكان المقابل لعملية التبديل.

كما تتسبب هذه القوة المثيرة المتغيرة الناتجة في حدوث تشوه في الهيكل الميكانيكي وتؤدي إلى اهتزاز المحرك، بحيث يمكن حل هذه المشكلات جزئياً بواسطة مرشحات (LC) التي تعمل على تنعيم جهد الخرج للمروحية، والتي تطبق الجهد المطلوب وفقاً لطلب عزم الحمل.

ومع ذلك؛ فإنه عندما تكون الاستجابة السريعة لعزم الدوران “الديناميكي” مطلوبة، خاصةً مع الآلات التي تعمل بالتيار الكهربائي الثقيل؛ فسيكون من الصعب جداً تحقيق الطلب المطلوب من خلال مرشحات (LC)، وعلى الرغم من أن العديد من الباحثين قد درسوا مصدر ضوضاء الصوت ووصفوا النمذجة والتنبؤات بالاهتزاز في المحركات الدائمة، فقد تم بذل القليل من “الأعمال البحثية” لتقليل الضوضاء والاهتزازات في هذه المحركات.

كما تقدم طريقة حيث تم تثبيت حلقة نحاسية على قطب المغناطيس الدائم لمحرك (DC) للفرشاة لتقليل الاهتزاز الميكانيكي، بحيث تُظهر هذه الطريقة انخفاضًا ناجحًا في الاهتزاز بسبب سوء التصنيع، بحيث تم إجراء عمل بحثي مهم آخر لتقليل الضوضاء والاهتزاز بسبب (PWM) المطبق على المحركات الحثية، حيث يُقترح تردد تبديل جديد لتقليل مستوى الضوضاء والخسائر.

كما تنجح هذه الطريقة في تقليل مستوى الضوضاء بمقدار (5) ديسيبل أثناء البدء ولوحظ انخفاض عام يصل إلى (15) ديسيبل، كما أنها عالجت العديد من المنشورات الأخرى ذات الصلة المشكلة جزئياً مع التركيز بشكل خاص على أداء خوارزميات التحكم في محرك التيار المستمر، كما تم تقديم جهاز تحكم غير خطي قائم على المراقب للتعامل مع اضطرابات عزم الدوران المسننة في محرك (DC) ذو المغناطيس الدائم.

هيكل المروحة متعدد المستويات المقترح

يوضح الشكل التالي (1) مخطط الكتلة المقترح لدائرة المروحة متعددة المستويات (MLCC) لنظام محرك (DC)، بحيث يتكون هذا النظام المقترح من كتلة (MLCC) المقترحة، كما أن كتلة جسر (H) من أجل التحكم في اتجاه دوران المحرك؛ لذلك؛ محرك (PMDC)، بالإضافة إلى العديد من كتل التحكم التي تنظم وتزامن تشغيل النظام بأكمله.

في هذا الطرح، تكون دائرة المروحة متعددة المستويات المقترحة (MLCC) عبارة عن محول طاقة من (5) مستويات كما هو موضح في الشكل (2)، كما وتتكون من أربعة مفاتيح طاقة يمكن التحكم فيها مثل (MOSFET)، بحيث يتكون (MLCC) من ثلاثة ثنائيات مثبتة، (D1 ،D2 ،D3) ويفضل الثنائيات (Schottky) والصمام الثنائي الحر (DF)، بحيث تعمل هذه الثنائيات جنباً إلى جنب مع مفاتيح الطاقة على تحقيق التشغيل الصحيح لدائرة المروحية متعددة المستويات.

حيث أن جهد المصادر (VDC1)، (VDC2)، (VDC3)، (VDC4) ذات قيم جهد متساوية أو مختلفة، كما يمكن أن تكون مصادر جهد التيار المستمر هذه عبارة عن بطاريات تخزين خلوية أو وحدات خلايا شمسية أو أي مصادر جهد تيار مستمر مكافئ.