المعدل فائق السرعة لتطبيقات التردد الكهربائي المتغير

في هذه الدراسة، سيتم تقديم مقوم فائق السرعة لتطبيقات التردد الكهربائي المتغير، بحيث يتم تنفيذ محولات التيار المتردد ثلاثية الطور (المقومات) على مجال واسع في المحركات وتوربينات الرياح والمركبات الكهربائية وأنظمة طاقة الطائرات، وفي بعض التقنيات على سبيل المثال المزيد من الطائرات الكهربائية، لذلك قد تستخدم أنظمة الطاقة مولدات متغيرة التردد لزيادة الكفاءة والموثوقية.

تحليل المعدل فائق السرعة لتطبيقات التردد الكهربائي المتغير

في العقد الماضي تطورت المقومات من جسور الصمام الثنائي التقليدية متعددة النبضات إلى مقومات عرض النبضة (PWM) أو مقومات نشطة عن طريق استبدال الثنائيات والثايرستور بأجهزة ذات الحالة الصلبة ذاتية التبديل مثل بوابة إيقاف التشغيل القائمة على (Si). الثايرستور (GTOs)، كذلك (MOSFETs)، أيضاً الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة (IGBTs) ومؤخراً نيتريد الغاليوم (GaN) ومفاتيح تبديل أشباه الموصلات القائمة على كربيد السيليكون (SiC).

وباستخدام أجهزة أشباه الموصلات هذه؛ فإنه يمكن تحقيق تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر عند عامل طاقة واحد ومع تشوهات توافقية منخفضة في شكل الموجة الحالية، ونتيجة لذلك تم الآن تنفيذ المقومات النشطة في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل المحركات الكهربائية وإمدادات الطاقة غير المنقطعة وشواحن البطاريات وتوربينات الرياح.

ومع ذلك؛ فإن المقومات القوية متعددة النبضات (12 أو 18 نبضة) القائمة على المحول الذاتي ذات الصمام الثنائي مفضلة تقليدياً للأنظمة الكهربائية في الطائرات بدلاً من المقومات النشطة عالية الأداء، كما يتجه المسار السائد في أنظمة الطائرات نحو استبدال أنظمة تحويل علبة التروس والمولد والسرعة الثابتة بأنظمة تحويل المولد متغيرة السرعة، ومثال على ذلك التردد المتغير، والذي يشار إليه أيضاً بالتردد البري في تطبيقات الفضاء، كما يمكن العثور على نظام التوليد في الأنظمة الكهربائية لطائرات النقل الحديثة.

مسار التطبيقات الخاصة بالتردد الكهربائي المتغير

مؤخراً ظهر التصميم والتحكم في المقومات النشطة لتطبيقات التردد المتغير، بحيث جذب انتباه الباحثين وتقليدياً تتم صياغة التحكم في المعدل النشط بناءً على نظرية (dq0)، حيث يتم إنشاء الإشارة المرجعية (PWM) من تكامل انحرافات جهد ناقل التيار المستمر وإشارات عامل الطاقة (القدرة التفاعلية) من القيم المرغوبة في (-q− ،d) ضمن المحور بشكل مستقل.

لذلك إذا تغير تردد مصدر التيار المتردد بشكل كبير؛ فإن تصميم وضبط وحدة التحكم يصبح معقداً إلى حد كبير لأن مصفوفة حالة المقوم ستكون متغيراً زمنياً، ومن ثم؛ فإن أداء مخططات التحكم التقليدية سوف يتأثر بتغيرات التردد لتعزيز أداء النظام، بحيث يمكن تنفيذ مخططات التحكم التنبئي والتكيفي (MPC) باستخدام مصفوفات البوابة القابلة للبرمجة في مجال المعالجة السريعة (FPGA) وأجهزة التحكم الدقيقة.

كذلك يمكن تقسيم مخططات (MPC) إلى فئتين عامتين، وهما مجموعة التحكم المحدودة (FCS) ومجموعة التحكم المستمر (CCS)، بحيث يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هاتين الطريقتين في استخدام تردد تبديل ثابت مقابل تردد تبديل متغير في (CCS و FCS) على التوالي، كذلك قد يوفر الأخير نطاقاً ترددياً أعلى ولكنه يجعل تصميمات الإدارة الحرارية والمبدد الحراري والفلتر (المرشح).

وصف النظام الخاص بالتردد الكهربائي المتغير والصياغات العامة

يظهر الهيكل العام للمقوم النشط متغير التردد المقترح في الشكل التالي (1)، وهو المحول عبارة عن جسر ذي مستويين يتم التحكم فيه بالكامل مع (SiC-MOSFETs)، وهي متصلة بمصدر ثلاثي الطور للجهد الثابت متغير التردد من خلال مرشح (L) الحثي، بينما على جانب التيار المستمر من المحول؛ فإنه يتم تنفيذ مكثف ناقل تيار مستمر بالتوازي مع الحمل الكهربائي، وبالنظر إلى انخفاض الجهد فقط على مرشح (L) يمكن تصميم النظام على شكل:

حيث أن:

[VRabc = (vRavRbvRc) T]: هي الفولتية لمعدل الطور إلى المحايد.

[Isabc = (isaisbisc) T]: هي التيارات الخطية.

[Vpccabc = (vpccavpccbvpccc) T]: هي الفولتية من الطور إلى المحايد عند نقطة مشتركة – الاقتران (PCC).

(Rf ،Lf): هما معلمات المرشح (L) عند افتراض أن محاثات المرشح مفصولة مغناطيسياً بين الأطوار.

كما يمكن أيضاً تحويل النظام المصمم بواسطة المعادلة من إطار (abc) إلى أي مرجع آخر وهو (dq0 -)، كما يعتبر إطار من المرحلة (θ) عند تنفيذ تحويل متجه الفراغ التالي لأي متغير طور معين (x)، كما في العلاقة [x→ = 23 (xa + αxb + α2xc) e − jθ = xq − jxd]، حيث (α = ej2π3) على وجه الخصوص، كما يمكن نمذجة العلاقة الرياضة السابقة في الإطار المرجعي الثابت (dq0)، أي (θ = 0)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2-a) من خلال المعادلة التفاضلية التالية:

حيث أن:

(v→ R): هو متجه الفراغ للجهد المحايد من الطور إلى المحايد.

(v→ pcc): هو متجه فضاء الجهد من الطور إلى المحايد (PCC).

(i): هو متجه الفراغ للتيار الكهربائي للخط، لذلك إذا كانت (θ = ωt؛ فيمكن نمذجة النظام في الإطار المرجعي الدوار المتزامن على النحو:

حيث يتم قفل الجهد الكهربائي عند (PCC) على المحور (q)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2-b)، أي (vpccd = 0).

مخططات التحكم الكهربائية للمعدلات النشطة

في هذا القسم سيتم صياغة مخطط التحكم المقترح لمعدلات التردد المتغير ووصفه في مكونين أساسيين وهما خوارزمية الخطوة إلى الأمام و (PLL) اللحظي، كما يتم تبرير استخدام (PLL) اللحظي من خلال تحليل انتشار الخطأ في القدرة التفاعلية المقدرة نتيجة لوجود عدم تطابق بين التردد المستخدم في خوارزمية التحكم وتردد النظام الفعلي.

• نظام التحكم (DQ−) المستند إلى النموذج: تمت صياغة وحدة التحكم (dq−) القائمة على النموذج، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3)، وفي الإطار المرجعي المتزامن (dq0) هنا؛ فإنه يتم تعريف القدرة النشطة والمتفاعلة على أنها:

• مخطط التحكم بخطوة فائقة السرعة: يظهر الهدف الرئيسي من مخطط التحكم المتغير فائق السرعة المقترح هو تنظيم جهد ناقل التيار المستمر والحفاظ على عامل قدرة الوحدة في أنابيب التيار المتردد، وبالتالي؛ فإن متغيري التحكم هما (vdc) والقوة التفاعلية (q)، كما تم تصميم مخطط التحكم في التردد المتغير المقترح، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1).

• الخطأ بسبب التردد الكهربائي المتغير: يعتمد أداء نظام التحكم التنبئي بشكل كبير على التنبؤ الصحيح لمتغيرات التحكم المطلوبة لحساب حالات التبديل للمحول الكهربائي، وبشكل نموذجي في أي وحدة تحكم قائمة على النموذج؛ فإنه من المعروف أن المتغيرات المتوقعة تعتمد على دقة معطيات النموذج، كذلك معطيات المرشح  الكهربائي.

• مخططات تتبع التردد المتغير: كما هو موضح سابقاً سيُظهر مخطط التحكم في التردد المتغير خطوة إلى الأمام خطأ في القدرة التفاعلية إذا لم يتم إدخال التردد بدقة وسرعة في الخوارزمية، وهي الأداة الأكثر شيوعاً لتتبع تغييرات التردد في المحول المرتبط بالشبكة الكهربائية هي مخطط (PLL).

وأخيراً في هذه الدراسة؛ فإنه تم تقديم مخطط تحكم فائق السرعة للمقومات متغيرة التردد، بحيث توضح النتائج التجريبية أن تقنية التحكم المقترحة تتفوق على وحدة تحكم (dq−) القائمة على النموذج من حيث تنظيم جهد التيار المستمر والتحكم في القدرة التفاعلية.