تحليل المحرك الكهربائي العاكس ثلاثي الأطوار

أهمية تحليل المحرك الكهربائي العاكس ثلاثي الأطوار

تم استكشاف المحركات الكهربائية على نطاق واسع على مر السنين بسبب أدائها غير العادي في التحكم في عزم الدوران والاستجابة للسرعة، كما بفضل ظهور العديد من المكونات الإلكترونية للطاقة، كما تم تحسين الجودة والأداء والاستقرار للعديد من التطبيقات الصناعية، بما في ذلك محركات الجر ومحركات التردد المتغير والتقنيات الناشئة في مجال الطاقة المتجددة، وذلك على الرغم من التقدم والتطورات الواضحة في هذا المجال، لذلك لا تزال أنظمة التحكم المستدامة والفعالة تمثل تحدياً كبيراً.

وتقليدياً يتم استخدام العواكس ذات ستة مفاتيح ثلاثية الطور (SSTP) في معظم هذه التطبيقات، كما تم تقديم عاكساً متعدد المستويات يعتمد على طوبولوجيا (SSTP)، والتي تعرض لوائح فعالة للجهد الكهربائي (DC-link)، وذلك على الرغم من أن التنفيذ واضح ومباشر بسبب عدم وجود اتصال النقطة المحايدة، إلا أن طوبولوجيا العاكس هذه لها استجابة دقيقة لفشل التبديل الناتج عن محرك التحميل الزائد.

كما يرتبط انهيار مفاتيح الطاقة بفشل الترانزستور في عاكس مصدر الجهد (VSI) الذي يؤدي إلى اتصال دائرة مفتوحة، بحيث أدى فشل مفتاح الطاقة في العاكس (SSTP) إلى تطوير طوبولوجيا تبديل مخفضة بديلة – محولات ثلاثية الطور ذات أربعة مفاتيح (FSTP)، كما تستفيد ميزتها الفريدة من أوضاع تبديل أقل وفعالية من حيث التكلفة وتوليد إشارة منطقية بسيطة.

وبالنسبة لمحرك التردد المتزامن (SynRM؛ فقد تم اقتراح طرق مختلفة لتحسين أدائه، مثل هندسة الدوار الحديثة وتقنيات التحكم الفعالة، كذلك الخصائص الدوارة الفريدة للآلة التي لا تحتوي على اللفات والمغناطيس الدائم المضمنة تجعلها أكثر كفاءة واستدامة من محركات المحركات الأخرى، وفي الواقع تم الترويج لـ (SynRM) على أنها مستقبل آلات التيار المتردد بسبب هيكلها البسيط وقوتها وكفاءتها العالية وتوافرها.

ومع ذلك ونظراً للسلوك غير الخطي للغاية الذي تظهره مكوناته؛ فإنه لا يزال نظام التحكم الفعال يمثل تحدياً كبيراً حتى الآن، بحيث تم الإبلاغ عن بعض التطورات في التحكم غير الخطي كبديل للتحكم الميداني القائم على (PI) المستخدم على نطاق واسع (FOC)، بما في ذلك التحكم في الوضع المنزلق والتحكم الضبابي والتحكم المستند إلى الشبكة العصبية الاصطناعية.

لكن تصميمات وتطبيقات وحدات التحكم هذه معقدة. من ناحية أخرى، بحيث يحتفظ نموذج التحكم الحالي التنبئي (MPCC) ببعض المزايا البارزة لبساطته في حساب القيم غير الخطية والقيود، لذلك لقد تم الاعتراف به على نطاق واسع كمخطط تحكم ممتاز لمحركات ومحولات القدرة.

الأعمال الأساسية والمشاكل الخاصة بالمحركات التزامنية

(MPCC) لـ (FSTP Inverter-Fed SynRM)

يوضح الشكل التالي (1)، كذلك الهيكل العام لـ (FSTP) الذي يتم تغذيته بالعاكس (SynRM)، كما يمكن ملاحظته، بحيث يتم استبدال مفاتيح الطاقة في المرحلة “c” بمكثفين، كما يُشار إليهما بالرمز (C1 ، C2) على التوالي، كما يحتوي الطرفان الآخران على مفاتيح طاقة، بحيث يُشار إليها باسم (Sa1 ، Sa0 ، Sb1  Sb0) على التوالي.

كذلك تشمل المتغيرات الأساسية الأخرى((ia ، b ، c) ،(ea ، b ، c) ،(va ، b ، c))، والتي تمثل تيارات الجزء الثابت على مستوى الطور والمجالات الكهرومغناطيسية الخلفية الممتدة والجهد الثابت على التوالي، وهو (Lq) هو محاثة (q -axis) المكافئة و (rs) هي مقاومة الجزء الثابت.

وكما هو موضح في العلاقة الرياضية التالية؛ فإنه يمكن كتابة معادلة جهد الجزء الثابت المبسطة لـ (SynRM) في الإحداثي المرجعي (α-) على النحو التالي:

كما يتضح من المعادلة السابقة أن نواقل الجهد المختلفة الناتجة عن العاكس ستؤدي إلى تيارات مختلفة للجزء الثابت، وذلك بالنظر إلى هذا الشرط، بحيث يمكن لمحول (FSTP) أن يولد فقط أربع حالات تبديل بسبب عدم وجود مفاتيح طاقة في المرحلة “c”، كما يتم الإشارة إلى ناقلات الجهد الأساسية الأربعة بواسطة (v1 ، v2 ، v3 ، v4)، وهذا الهيكل الفريد لعاكس (FSTP) يقلل من عدد مفاتيح الطاقة، وبالتالي تعقيد الأجهزة والتكلفة.

واستناداً إلى النظير التقديري للمعادلة السابقة؛ فإنه يمكن التنبؤ بتيار الجزء الثابت (k + 1) على النحو التالي:

حيث يشير “p” المرتفع إلى القيمة المتوقعة و (Ts) هي فترة أخذ العينات و x∈ {α ، β}، كما يمكن أن نرى من المعالة الثانية أن قيم معطيات المحرك و (EMF) الخلفي الممتد والتيار الثابت والجهد الثابت كلها مطلوبة في التنبؤ الحالي مما يؤدي إلى عيب كبير.

كما تم اقتراح مخطط (MFPCC) لأول مرة بواسطة (Lin et al) بناءً على تقنية الكشف عن الاختلاف الحالية، بحيث يتم تنفيذ الطريقة مباشرة، حيث يتم حساب الفروق الحالية مباشرة باستخدام عمليات الطرح فقط، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، كما أن هناك اختلافان حاليان محددان على التوالي.

المقترح الخاص بـ (MMFPCC)

وبالنسبة الى وقت التطبيق التكيفي؛ فإنه يطبق (MFPCC) التقليدي حالة تبديل واحدة فقط في مدة ثابتة في كل فترة أخذ عينات ، مما ينتج عنه تموجات تيار كبيرة، وفي حالة (FSTPI)، كما تجعل المشكلة أكثر صعوبة بسبب بنيتها مع أربعة متجهات فقط لجهد التبديل، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3)، بحيث يتم الإشارة إلى متجهات الجهد الأساسية الأربعة بالرمز (v1 ، v2 ، v3 ، v4).

لتعزيز نواقل الجهد المرشح، كما يتم تصنيع ستة نواقل جهد مُعدَّلة مُصنَّفة كـ (vm1 ، vm2 ، vm3 ، vm4 vm5، vm6) بالطريقة المقترحة، بحيث يتكون كل ناقل جهد معدل من متجهين أساسيين للجهد بفترات مختلفة، أي أوقات التطبيق، وذلك لنفترض أن المدتين في فترة أخذ العينات (k + 1) هما (Tk + 11) وكذلك (Tk + 12)، على سبيل المثال مع مجموعهما يساوي الفترة (Ts).

وبالنسبة لكشف التيار التكيفي؛ يتم قياس الاختلافات الحالية والتيار الثابت للجزء الثابت وحسابها خلال فترة أخذ العينات في (MFPCC) التقليدي، وبشكل عام يتم اعتماد وقت التطبيق الثابت والمتساوي، وعلى النقيض من ذلك، تستخدم الاستراتيجية الجديدة تبديل قائم على المتجهين وتستخدم مخططاً متكيفاً لاكتشاف التيار الكهربائي.

ولتعديل الفرق التيار الكهربائي، كما يتمثل العيب الشائع في (MPCC) في اعتمادها على معلمات النموذج، كما يتضح من المعادلات الرياضية، بحيث ستؤدي الاختلافات وعدم التطابق في المعطيات بشكل طبيعي إلى أداء غير مرض، مما يؤدي إلى أخطاء كبيرة في تتبع التيار، بحيث يوفر التحكم الحالي التنبئي الخالي من النماذج (MFPCC) حلاً جيداً لحل الصعوبة.

كما أنه من المفترض أن الاختلافات الحالية في ظل نفس حالة التبديل بين فترات أخذ العينات المتتالية لها قيم متشابهة، لذلك يمكن استخدام أحدث بيانات الفرق الحالية للتنبؤ بالمستقبل، بحيث بشرط أن تكون حالات التبديل المقابلة لها هي نفسها، ومع ذلك يصبح غير قابل للتطبيق إذا كانت نسبة الرسوم متغيرة وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4).