التنبؤ الدقيق بالتيار المحوري للمحرك الكهربائي المتزامن

من أجل تحسين نطاق الانطلاق للتفرعات الكهربائية، تدرس هذه الحالة نظام التحكم في متجه تنبؤ التيار الكهربائي الميت لمحرك متزامن مغناطيسي دائم التدفق المحوري (AFPMSM) للتفرعات الكهربائية بناءً على طريقة توزيع عزم الدوران المثلى، أولاً تم إنشاء النموذج الرياضي لثلاثة دوارات مزدوجة ساكن (AFPMSM) وثانياً من أجل تحسين نطاق الكفاءة العالية، كما تم اقتراح طريقة توزيع عزم الدوران المثلى على أساس متوسط طريقة توزيع عزم الدوران وتستخدم الشبكة العصبية للانتشار الخلفي (BP).

أهمية التنبؤ الدقيق بالتيار المحوري للمحرك الكهربائي المتزامن

يمكن استخدام مركبات الطاقة الجديدة في قطاع النقل العام لتحقيق الحفاظ على الطاقة وتقليل الانبعاثات ولتطوير صناعة مركبات الطاقة الجديدة المحلية، والتي تم فيها استخدام التفرعات الكهربائية في البداية، بحيث يعد محرك الدفع جزءاً مهماً من التفرعات الكهربائية، بالإضافة الى أن تطبيق محركات الدفع له اتجاهان رئيسيان في العالم، وهما محرك التيار المتناوب غير المتزامن والمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM).

ومن بينها، تتمتع (PMSMs) بتغطية واسعة لمستوى الطاقة، والتي يمكن أن تلبي بشكل كامل طلب الطاقة للتفرعات الكهربائية، بحيث تم تعميق البحث الحالي حول (PMSMs)، بحيث تم اختبار نموذج التحكم في عزم الدوران للتنبؤ بالنماذج (PMSM) للسيارات الكهربائية كمثال وتحليل عزم الدوران على (PMSM) للسيارات الكهربائية وحسّنوا الأداء الديناميكي.

بالإضافة الى أنه يتم إجراء تحليل الاهتزاز الالتوائي ونمذجة المركبات الكهربائية الهجينة في (PMSMs)، تم استخدام المحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة ذات التدفق المحوري (AFPMSMs) على نطاق واسع، وذلك نظراً لعامل الطاقة العالي والكفاءة العالية وكثافة الطاقة العالية والهيكل المدمج، بحيث أجرت الدراسات تطبيق (AFPMSM) على طاقة الرياح على نطاق واسع والمركبات الكهربائية والدراجات الكهربائية وحتى الدراجات النارية الكهربائية والروبوت على التوالي.

وباختصار؛ فإن (AFPMSM) مناسب للاستخدام كمحرك محرك عالي الطاقة في نقطة التوزيع الكهربائية، بحيث يتم استخدام (AFPMSM) بثلاثية الجزء الثابت والمزدوج الدوار، والذي يحتوي على ثلاث لفات مستقلة للجزء الثابت، والتي يمكن أن تكون مكافئة لثلاثة محركات متطابقة عن طريق الفصل، وهي الاتصال المحوري متحد المحور مع العديد من المحركات العادية، وله مزايا التكلفة المنخفضة والبنية البسيطة والمساحة المشغولة الصغيرة وما شابه.

الفروقات الرئيسية بين نقاط التوزيع التقليدية الكهربائية

الفرق بين التفرعات الكهربائية والحافلات التقليدية هو نظام الطاقة ونظام النقل، أما بالنسبة لنظام الطاقة؛ فقد أجرى العديد من الباحثين بحثاً متعمقاً حول جدولة المركبات واستراتيجيات إدارة الطاقة للتفرعات الكهربائية، ونظراً لأن وقت مغادرة الحافلة يعتمد على الجدول الزمني؛ فقد أجرى الباحثون دراسة مفصلة حول جدولة التفرعات الكهربائية، ثانياً ونظراً لأن مسار قيادة الحافلة ثابت؛ فإنه يمكن استخدام استراتيجية إدارة الطاقة لضمان كفاءة التفرعات الكهربائية.

النموذج الرياضي المعتمد لثلاثة أسطوانات AFPMSM

يتم عرض هيكل “ثلاثي الأبعاد” في الشكل التالي (1)، بما أن الدوائر المغناطيسية المكافئة للتدفق المغناطيسي الرئيسي للأجزاء الثابتة والدوارات المجاورة منفصلة عن بعضها البعض، بحيث يتم تجاهل المجموعات الثلاث من لفات الجزء الثابت وبين قرصي الدوار، وفي هذا الوقت؛ فإنه يمكن أن تكون أقراص (AFPMSM) ثلاثية الأقراص مكافئة للحالة التي يتم فيها توصيل ثلاثة (PMSMs) بشكل محوري، كما ويمكن التحكم في كل مجموعة من ملفات الجزء الثابت بشكل مستقل.

كذلك يتم تحديد مجموعة من ملفات الجزء الثابت لإنشاء نموذج رياضي، وبالإشارة إلى عملية اشتقاق النموذج الرياضي لـ (PMSM) العادي؛ فإن النموذج الرياضي للـ (AFPMSM) ثلاثي الأسطوانات في نظام الإحداثيات الثابت ثلاثي الطور هو كما يلي:

معادلة الجهد الكهربائي:

حيث أن: 

(uA ، uB ، uC): هي جهد الجزء الثابت.

(iA ، iB ، iC): هو تيار الجزء الثابت في نظام الإحداثيات.

[(A-B-C) ، (A ، B ، C)]: هي وصلة تدفق الجزء الثابت في نظام الإحداثيات (A-B-C).

(Rs): هي مقاومة لف الجزء الثابت.

(p): هو العامل التفاضلي (d / dt).

وبالنسبة الى معادلة التدفق؛ فإنها تمون حسب المصفوفة التالية:

حيث أن:

(LXX): هو الحث الذاتي لملف الطور (X).

 (MYY): هو الحث المتبادل بين لفات الجزء الثابت (X ، ψr).

(Y): هو رابط تدفق المغناطيس الدائم الدوار.

(θ): هي زاوية موضع الدوار.

أما معادلة عزم الدوران تكون على النحو التالي:

حيث أن:

(Te): هو عزم الدوران الكهرومغناطيسي.

(Np): هو رقم زوج القطب لملف عزم الدوران.

(ψs): هو متجه تدفق الجزء الثابت، وهو متجه التيار الثابت.

أما معادلة الحركة تكون:

حيث أن:

(J): هي لحظة القصور الذاتي للمحرك الكهربائي.

(B): هي معامل اللزوجة.

(TL): هي عزم الحمل.

(ωr): هي السرعة الزاوية للجزء المتحرك.

كما توضح المعادلة أعلاه أن النموذج الرياضي لـ (AFPMSM) في نظام إحداثيات (A-B-C)، وهي عبارة عن مجموعة من المعادلات التفاضلية الخطية ذات المعاملات المتغيرة، وذلك من أجل تسهيل التحليل، بحيث يتم تحويله عادةً إلى معادلة رياضية في نظام إحداثيات المحور (d-q) عن طريق التحويل الإحداثي، كما أن المعادلات الرياضية في نظام إحداثيات المحور (d-q) هي كما يلي:

وبالنسبة الى معادلة جهد المحور (d-q):

حيث أن (ud ، id) هو مكون جهد الجزء الثابت والمتجه الحالي في المحور (uq ، iq)، كذلك (d) هو مكون جهد الجزء الثابت والمتجه الحالي في المحور (q)، أما بالنسبة الى معادلة تدفق المحور الثابت لمحور (d-q)؛ فإنها تكون على السياق التالي:

حيث ان:

(ψf): هو تدفق مجال الإثارة الأساسي للمغناطيس الدائم المقترن بملف الجزء الثابت (q)،

(ψd): هو المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية في المحور (d) ومكون المحور.

(Ld ، Lq): هو الحث الذاتي لـ (d-) لفائف المحور و (q-) المحور.

ونظراً لأن (AFPMSM) ليس له تأثير قطبي بارز و (Ld = Lq)، بحيث يتم الحصول على معادلة خاصة لعزم الدوران:

ونظراً لأن المجموعات الثلاث من الساكن تدفع بشكل مشترك قرصين دوارين؛ فإن قرصي الدوار متصلين بشكل محوري والمحرك مكافئ هيكلياً لثلاثة أعمدة للمحرك، لذلك؛ فإن أنظمة الإحداثيات المرجعية المقابلة للثوابت الثلاثة متطابقة.

وفي هذه المرحلة؛ فإنه يمكن تحليل المحركات الكهربائية المقابلة للثوابت الثلاثة عن طريق وضعها في نفس نظام الإحداثيات المرجعي (d-q) نظراً لأن الثوابت الثلاثة متطابقة في الهيكل ولديها تناظر معتمد حسب الترتيب (Rs = Rs1 = Rs2 = Rs3) والفجوة الهوائية للمحرك موحدة، أي (Lq = Lq1 = Lq2 = Lq3) في هذه المرحلة، كما يمكن إعادة كتابة معادلة العزم الكهرومغناطيسي على النحو التالي:

حيث أن:

(Te): هو إجمالي عزم الدوران الكهرومغناطيسي للمحرك.

(Te1 ، Te2 ، Te3): هي عزم الدوران الكهرومغناطيسي للجزء الثابت.

(iq1 و iq2 و iq3): هي مكونات الجزء الثابت (1 ، 2 ، 3) متجهات التيار المتعرج في المحور (q).

في هذا الطرح، تم أخذ (AFPMSM) المكون من ثلاثة الجزء الثابت المزدوج الدوار ككائن بحثي، كما وتم دراسة نظام التحكم الكهربائي في النواقل التنبؤية الحالية النابضة، وذلك بناءً على طريقة توزيع عزم الدوران المثلى بالكفاءة العالية والمطلوبة ضمن أدق التفاصيل الهندسية التي تلزم عملية تشغيل المحركات الكهربائية بما يضمن الحماية الازمة للآلة.