المحول المحسن ثلاثي الأطوار المتصل بشبكة أحادية الطور

أهمية وجود المحول المحسن ثلاثي الأطوار المتصل بشبكة أحادية الطور

تكتسب السيارة الكهربائية (EV) شعبية بسبب المخاوف البيئية وتحفز البحث المتعلق بها، كما يتم إيلاء اهتمام خاص لعملية الشحن، حيث يمكن أيضاً استخدام “الطاقة المخزنة” في بطارية (EV) لخدمات الشبكة، حيث تتلقى “طوبولوجيا الشاحن” أيضاً قدراً لا بأس به من الاهتمام، حيث أنه من المستحسن شحن (EV) بكفاءة أعلى وبأسرع وقت ممكن.

ووفقاً لمستوى طاقة الشحن؛ فإنه يمكن تصنيف أجهزة الشحن تقريباً إلى المستوى الأول (حتى 1.92 كيلو واط) والمستوى الثاني (حتى 19.2 كيلو واط) والمستوى الثالث (من 20 كيلو واط فأعلى)، لذلك كلما زادت قوة الشحن، كلما كان الشاحن أكثر تعقيداً، كما ويحتاج إلى المزيد من المكونات أو أكبر.

لذلك توجد أجهزة الشحن من المستوى الثالث خارج اللوحة بينما يوجد الشاحنان الآخران عادةً على متن الطائرة، وذلك على الرغم من أن التوصيلات ثلاثية الطور بالشبكة تسمح بشحن أسرع، إلا أن منافذ الطور الأحادي لا تزال هي المصدر الرئيسي للطاقة المتاحة لمالكي المركبات الكهربائية.

ونظراً لحقيقة أن أنظمة الدفع والشحن تشترك في عدد قليل من العناصر؛ فهناك اتجاه لدمج نظام الشحن في إلكترونيات الطاقة الموجودة بالفعل لقيادة المحرك، وفي هذه الحالة يصبح الشاحن الموجود على اللوحة بمثابة شاحن مدمج (IOC)، كما يمكن تكييف عاكس الدفع بسهولة مع عملية الشحن ويمكن استخدام ملفات المحرك كمرشحات تحريضية.

اقتراحات تحسين المحول ثلاثي الأطوار المرتبط بالشبكة

يقترح بعض المؤلفين استخدام مقومات إضافية لتحويل التيار المتردد والتيار المستمر من الشبكة، ثم لفات الآلة “كمحاثات” لمحول (DC / DC)، كما أن العيب الرئيسي هو الحاجة إلى مكونات إضافية من شأنها أن تترجم إلى زيادة في التكلفة والخسائر والحجم والوزن، وفي حالات أخرى تُستخدم ملفات الآلة كمرشح شبكي متصل بين الشبكة والمحول، والذي يتم استخدامه لاحقاً لتحويل التيار المتردد الى التيار المستمر.

حيث أن العيب الرئيسي هو توليد عزم شحن في العمود بسبب تيارات الشبكة الكهربائية التي تتدفق عبر الماكينة، لذلك لقد حظي إلغاء العزم المتولد على الماكينة باهتمام كبير مؤخراً، بحيث يتم تحليل عزم الدوران المتولد ويقترح المؤلفون استخدام الفرامل لتخفيفه، مما يتسبب في حدوث ضوضاء إضافية ويزيد من تكلفة النظام.

كما تشمل الحلول الأخرى المقترحة استخدام عدة آلات معين وملفات مخصصة وآلات متعددة الأطوار، بحيث تتطلب هذه الحلول المبتكرة المكونات الخاصة المذكورة التي لا تزال غير موجودة في الغالبية العظمى من أنظمة المركبات الكهربائية.

وعلاوة على ذلك، تفترض استراتيجية إلغاء عزم الدوران في أجهزة الشحن أحادية الطور عادةً أن الطور المتصل بالشبكة يتماشى مع المحور (d) الدوار، حيث لا يتم إنتاج أي عزم، وهذا يثير نقصاً في العمومية، حيث أنه من الضروري أن يكون لديك استراتيجية تحكم محسّنة تضمن عدم وجود اهتزازات في النظام.

وفي هذا الطرح يتم تقديم استراتيجية إلغاء عزم الدوران لشاحن أحادي الطور يستخدم لفات محرك مغناطيسي دائم متزامن ثلاثي الأطوار (PMSM) كمرشح شبكي، علاوة على ذلك، ليست هناك حاجة لوجود النقاط المحايدة أو الوسطى للملفات المتاحة، ومثل هذا الشاحن قادر على العمل لتقليل الاهتزازات، وذلك بغض النظر عن موضع الدوار أثناء الشحن، وبالتالي إطالة عمر المحرك والمكونات المتصلة به.

كما ويتمحور الورقة على النحو التالي، بالبداية يتم تقديم نظرة عامة على المشكلة وتحليل لعزم الدوران المتولد أثناء عملية الشحن، بعد ذلك ستتم مناقشة الاستراتيجية المقترحة لإزالة عزم الدوران وسيتم تقديم نتائج المحاكاة، وأخيراً ستتحقق النتائج التجريبية من صحة التشغيل الناجح لعنصر التحكم المطوَّر.

وصف المشاكل الخاصة بالمحولات المرتبطة بالشبكة أحادية الطور

إن وجود تيارات متداولة في لفات الآلة سوف يؤدي إلى زيادة “الحقول المغناطيسية” في الفجوة الهوائية، كما ستتفاعل هذه الحقول مع المجال الذي أنشأته “المغناطيسات” في الدوار، وفي حالة (PMSM)، سيؤدي هذا التفاعل إلى ظهور عزم الدوران في “عمود الآلة الكهربائية”، كما ستعتمد طبيعة عزم الدوران هذا بشكل أساسي على تردد الشبكة بالإضافة إلى اتصال ملفات الآلة.

تحليل تذبذبات عزم الدوران

يوضح الشكل التالي (1) الهيكل التقليدي لوصلة الشاحن أحادية الطور على متن الطائرة، وهي مكونة من آلة الدفع وعاكس ثلاثي الطور ومبدلين يغيران موقعهما وفقاً لوضع التشغيل، وفي وضع الدفع سيبقى المبدلان في وضع إيقاف التشغيل، كما وسيتم توصيل المراحل الثلاث للمحرك بنقاط منتصف العاكس (A,B,C) في هذه الحالة.

كما سيتم تحديد تيارات الطور (ia ،ib ،ic) بواسطة وحدة التحكم من أجل قيادة المحرك وفقاً لذلك، وعندما يكون النظام في وضع الشحن، تتحول مفاتيح التبديل إلى (ON)، كما ويكون المخطط العام هو المخطط الموضح في الشكل(1-A).

إزالة تذبذبات عزم الدوران

يمكن للمرء أن يلاحظ أنه من خلال ضبط المبدل (B1 = ON) في الشكل (1-A)، كما يتم فقد درجة واحدة من حرية النظام الحالي، بحيث يتم تمثيل ذلك بواسطة العلاقة الرياضية السابقة، حيث يتم تعيين تيار واحد للنظام ويختلف الآخران وفقاً لذلك.

كما أن المبدل (B1) مضبوط على (OFF)، وذلك مع الحفاظ على (B2 = ON)، أي في حالة الشحن، وفي هذه الحالة؛ فإنه يمكن تعيين اثنين من تيارات النظام الثلاثة، خاصةً إذا قمنا أيضاً بالتحكم في (ib) الحالي؛ فسيتم تعيين التيار الثالث بواسطة الاثنين الآخرين التاليين:

ونظراً لأنه يتم التحكم بالفعل في تيار (ic) مثل:

وأخيراً يؤدي استخدام ملفات الآلة الكهربائية، وذلك كمحاثات شبكية في بطاقة (IOC) أحادية الطور للمركبات الكهربائية إلى زيادة نبضات عزم الدوران في العمود، وفي هذا الطرح؛ فإنه يتم تحليل عزم الدوران هذا من أجل (EV) مدفوع بواسطة (PMSM) ثلاثي الطور، لذلك لقد وجد أنه من خلال التحكم ليس فقط في تيار الشبكة، ولكن أيضاً في التيارات الثلاثة المتدفقة عبر لفات الآلة، كما يمكن إلغاء عزم الدوران في أي موضع دوار.

لذلك لا تحتاج استراتيجية التحكم المقترحة إلا إلى إلكترونيات القدرة الموجودة بالفعل لنظام الدفع الخاص “بالمركبة الكهربائية” بالإضافة إلى واحد أو اثنين من المبدلين لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، وذلك من خلال “تبديل الاتصال بالشبكة” بين مرحلتين أو أكثر؛ فإنه يمكن تحسين أداء الشحن للنظام.

وعندما تتجاوز تيارات إلغاء عزم الدوران التيارات الاسمية للمحرك، يتم تصغيرها لضمان التشغيل الآمن للآلة، بحيث تثبت نتائج المحاكاة العملية الصحيحة للنظام وكفاءته، كما وتجرى التجارب للتأكد من ذلك، وعلى الرغم من أن أداء جهاز التحكم الحالي ليس مثالياً، إلا أنه يتم تقليل عزم الدوران بنسبة 88٪ في أسوأ الحالات.