التطوير الرقمي لنظام المحرك الكهربائي عالي الموثوقية

أهمية التطوير الرقمي لنظام المحرك الكهربائي عالي الموثوقية

بالنسبة لأنظمة النقل المكهربة (النقل الإلكتروني)؛ فإنه يمكن للمحركات متعددة المراحل أن توفر أداءً وموثوقية أعلى من المحركات ثلاثية الطور، ولكنها أيضاً تجلب المزيد من التحديات في التصميم والتحكم الأمثل، وفي هذه الطرح تم تطوير مجموعة من أنظمة القيادة الكهربائية عالية الموثوقية القائمة على محرك متزامن مغناطيسي دائم مزدوج ثلاثي الأطوار (DTP PMSM) للأنظمة المساعدة في مجال النقل الإلكتروني.

تم اقتراح عملية تطوير تعاوني رقمي بدعم من أدوات برمجية متعددة. تم دمج مراحل التصميم والتصنيع واختبار مقاعد البدلاء الخاصة بـ (DTP PMSM) والعاكس المكون من ستة مراحل وخوارزمية التحكم بكفاءة، كما يتم تصنيع واختبار نموذج أولي لنظام الدفع الكهربائي متعدد المراحل، بحيث تؤكد المقارنة بين تحليل المحاكاة والنتائج التجريبية فاعلية تقدم التطوير التعاوني.

كذلك تم التحقق من خوارزميات التحكم القائمة على نموذج (d-q) المزدوج ونموذج تحلل مساحة المتجه ومقارنتها عبر اختبار البدلاء، كما أنه يتم أيضاً تحويل وضع التشغيل من الوضع ذي الست مراحل إلى الوضع ثلاثي الطور باستخدام نظام النموذج الأولي والتحقق من قدرته على تحمل الأخطاء وإمكانية تحسين الكفاءة.

كذلك يمكن أن توفر التكوينات متعددة المراحل مزيداً من الإمكانات المثلى والمرونة لأنظمة الدفع الكهربائي، ومع ذلك هناك أيضاً بعض التحديات في عملية تطوير أنظمة متعددة المراحل للنقل المكهرب، وهناك مرافق النقل مثل المركبات المكهربة هي أنظمة ذات متطلبات وقيود ومقايضات متعددة، بحيث تركز معظم الدراسات الحالية بشكل أساسي على نقطة البحث الفردية للأنظمة متعددة المراحل، مثل تصميم المحرك أو تكوين العاكس أو خوارزمية التحكم.

كذلك التطوير التعاوني للأنظمة متعددة المراحل بالكامل مطلوب بشكل عاجل لتطبيقها في النقل الإلكتروني، أيضاً يجب أن يتم البحث والتطوير بشكل تآزري في المحرك متعدد المراحل والعاكس وخوارزمية التحكم، وذلك لتحقيق مخطط أمثل شامل للنظام بأكمله وتلبية المتطلبات الصارمة في الطاقة والكفاءة والوزن والحجم والموثوقية.

ولمواجهة تلك التحديات المذكورة أعلاه؛ فإنه تم تنفيذ بعض الأعمال في هذا الطرح تعتبر المساهمات الرئيسية لهذا العمل ذات شقين، أولاً تم اقتراح وممارسة عملية تطوير تعاوني رقمي متعددة البرامج في هذا العمل، مما يحقق كفاءة تطوير أعلى وأداء محسن لنظام الدفع الكهربائي متعدد المراحل، بحيث يتم تنسيق تصميم وتصنيع والتحقق من (DTP PMSM) والعاكس من مستويين من ست مراحل وخوارزمية التحكم بكفاءة وتكرارها في حلقة التصميم.

ثانياً تم تصميم نوعين من خوارزميات التحكم الخاصة بـ (DTP PMSM) باستخدام المحاكاة، كما وتم تطبيقهما على النظام الفعلي ومقارنتهما عبر التجارب، بحيث تم التحقق بشكل كافٍ من قمع تموج عزم الدوران وقدرات النظام بالكامل على تحمل الأخطاء من خلال اختبارات مقاعد البدلاء.

عملية التطوير التعاوني الرقمي لنظام المحرك الكهربائي الإضافي

صياغة المشكلة: تعتبر مضخات الزيت من المكونات المساعدة الرئيسية في أنظمة نقل الحركة في السيارة ومضخات الزيت التي تعمل بالكهرباء مفيدة بشكل خاص لمجموعة نقل الحركة الهجينة، وفي هذا العمل؛ فإنه تم تطوير نظام (6kW DTP PMSM) عالي الموثوقية لمضخات الزيت للمركبات المكهربة، كما ويمكن أيضاً تطبيقه على الأنظمة المساعدة لمنشآت النقل المكهربة الأخرى.

كما وتجدر الإشارة إلى أنه، بحيث تعتبر مقيداً بمخطط توزيع الطاقة على متن الطائرة، كما يتم تحديد مخطط جهد ناقل التيار المستمر على أنه (260V-280V) والذي يتوافق أيضاً مع أنظمة الجهد الكهربائي المساعدة الأخرى للطيران والنقل البحري، كما يتم سرد المتطلبات الأساسية للنظام في الجدول التالي (1).

وبالنسبة لنظام (DTP PMSM)؛ فإنه يجب مراعاة جانبين:

• أولاً: يجب تصميم محرك عالي الكثافة مع أداء جيد مع تحسين متعدد العوامل، بحيث يجب تحسين تركيبة الفتحة والقطب والدائرة المغناطيسية الدوارة لتقليل عزم الدوران المسنن ومحاثة التسرب للمحرك وتحسين ناتج عزم الدوران وكفاءته في نفس الوقت.

• ثانياً: من المتوقع أن تعمل وحدة التحكم في المحرك عالية الكفاءة على زيادة كفاءة المحرك إلى الحد الأقصى والاستفادة الكاملة من جهد ناقل التيار المستمر وتعزيز استجابة النظام وضمان استقرار ومتانة النظام بأكمله، بحيث يجب تكرار عملية التصميم بسرعة لتحسين كفاءة التطوير، لذلك تم طرح متطلبات قوية لعملية التصميم التعاوني للمحرك ووحدة التحكم، وذلك جنباً إلى جنب مع تطوير نظام محرك كهربائي إضافي عالي الأداء.

عملية التطوير التعاوني الرقمي لنظام القيادة الكهربائية

من أجل تلبية المتطلبات المذكورة أعلاه، بحيث يجب استخدام طريقة تطوير فعالة، كما تطورت أدوات هندسية متعددة، مثل برامج (EDA) و (CAD) في العقود الماضية، كما وتمكن الحلول المختلفة للهندسة الكهربائية والميكانيكية وهندسة البرمجيات من عملية تصميم رقمية عالية الكفاءة لنظام الدفع الكهربائي من ناحية، كما كانت عملية التصميم الرقمي مواتية لتقصير دورة التطوير وخفض التكلفة الاقتصادية.

وذلك لأن المتطلبات من مرحلة واحدة يمكن أن تؤخذ في الاعتبار بشكل مباشر في مراحل أخرى وفي الوقت نفسه، كما يمكن إنجاز العمل المستقل بشكل متوازي، ومن ناحية أخرى تم استخدام إدارة بيانات المنتج (PDM) على نطاق واسع في الصناعة، كما وأصبح تبادل البيانات بين الأدوات الهندسية وقاعدة البيانات أكثر ملاءمة بهذه الطريقة، بحيث يوضح الشكل التالي (1) الأدوات الهندسية الرئيسية التي تساعد على تعزيز كفاءة التطوير.

كما يوضح الشكل التالي (2) عملية التطوير الرقمي بالتعاون مع البرامج المتعددة، ووفقاً للمتطلبات؛ فإنه يمكن تقسيم مهام التصميم إلى عمليات فرعية مختلفة بما في ذلك تصميم المحرك وتصميم أجهزة التحكم وتصميم البرامج، ولفهم تبادل البيانات بشكل أفضل بين المراحل المختلفة؛ فإنه تم تلخيص العمليات التفصيلية في الشكل التالي (3).

وبالنسبة لتصميم المحرك، يعد التحسين متعدد المعلمات ضرورياً لتحسين أداء المحرك، وذلك بمساعدة برنامج تصميم المحرك، كما يمكن اختيار مخطط أولي مباشرة من مكتبات المحركات البديلة الوفيرة بما في ذلك محركات المغناطيس الدائم بدون فرش (BPM) وآلات الحث (IM) وما إلى ذلك، والتي تتطلب خبرة هندسية منخفضة للمصممين.

كما ويمكن استخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتنفيذ نتائج محاكاة أداء المحرك لتصميم تحسين المعلمات مثل مخطط التروس المتعرج وهيكل الدائرة المغناطيسية، ونظراً لحد من تردد التبديل والوقت الميت الذي يزيد المكون التوافقي في جهد الخرج، كذلك من الضروري مراعاة تقليل فقد التردد الكهربائي العالي في تصميم المحرك، كما يجب أيضاً مراعاة تأثير استخدام جهد التعديل على المحرك.

وفي تصميم الأجهزة؛ فإنه يتم الحصول على معلمات القيد بما في ذلك الجهد والمستوى الحالي لكل مرحلة وناقل التيار المستمر من نتائج FEA للمحرك، وذلك لتحسين كفاءة التطوير، كما يمكن استخدام برنامج (EDA) لتصميم الدوائر والمحاكاة، وفي نفس الوقت للتحليل الكهر وحراري.

وبالاقتران مع خوارزمية التحكم في قمع المركبات التوافقية؛ فإنه يمكن تقليل قيمة مكثف الدعم في التصميم، علاوة على ذلك من خلال اعتماد أدوات التشفير التلقائي؛ يمكن تحويل خوارزمية التحكم بسهولة من خوارزمية المحاكاة إلى التعليمات البرمجية المضمنة، والتي تعد أكثر كفاءة من رمز الكتابة اليدوية التقليدية.