تصميم وتنفيذ محاكي الآلة الكهربائية القائمة على مرشح LCL

يمكن لمحاكي الآلة الكهربائية (EME)، وذلك باستخدام المحاكاة الرقمية وإلكترونيات القدرة لمحاكاة خصائص الآلات الفعلية، وذلك من خلال تسريع اختبار المحركات الكهربائية بشكل كبير، ومع ذلك تعتمد معظم (EMEs) الحالية على مرشح (L) النموذجي ووحدة التحكم الخطية، مما يتسبب في تعارض في التحكم وحد من النطاق الترددي.

أهمية تصميم وتنفيذ محاكي الآلة الكهربائية المرتبط بمرشح LCL

يمكن لمحاكي الآلة الكهربائية (EME)، واستناداً إلى تقنية أجهزة الطاقة في الحلقة (PHIL) ومحاكاة خصائص الآلات الفعلية بأنواع تصنيفات مختلفة، وبالمقارنة مع اختبار (HIL)؛ فإنه يمكن لـ (EME) تبادل الطاقة عالية الطاقة مع وحدة محرك المحرك (MDU) بالإضافة إلى إشارات المنطق والتحكم، إلى جانب ذلك يمكن أن تحقق (EME) تكوين خطأ أسهل وأكثر أماناً من اختبار مقياس القوة.

لذلك جذبت (EMEs) اهتماماً كبيراً في السيارات الكهربائية وطاقة الرياح والشبكات الذكية، كما تم تطوير العديد من الكيانات الكهرومغناطيسية للآلات الصناعية، مثل آلات الحث وآلات المغناطيس الدائم المتزامن (PMSMs) ومحركات التيار المستمر بدون فرش وآلات التردد بتبديلها، كما هو مبين في الشكل التالي (1)، كما يتكون (EME) النموذجي من مرشح السطح البيني (IF) ومحول المحاكاة (EC) ومحاكي الوقت الفعلي (RTS) وإمداد الطاقة ودوائر أخذ العينات.

في (RTS)، بحيث يأخذ نموذج الآلة الفولتية الطرفية لوحدة (MDU) كمدخلات ويحسب التيارات المرجعية كإخراج إلى وحدة تحكم الواجهة، بعد ذلك يتم حساب الفولتية لأمر (EC) ويتم الوصول إلى التيارات الفعلية عن طريق التحكم في الفولتية الطرفية لـ (IF).

تأثير دقة المحاكاة على الآلة الكهربائية القائمة على مرشح LCL

تعد دقة المحاكاة مصدر القلق الرئيسي حيث يتم استخدام (EME) لاستبدال الجهاز الفعلي لاختبار أداء وحدة، (MDU) والتحقق من صحته، وبصفته المكون الرئيسي الخاضع للرقابة؛ لا يتم استخدام (IF) فقط للقمع التوافقي، ولكنه يحدد أيضاً بنية خوارزمية التحكم في الواجهة (ICA) وعرض النطاق الترددي للنظام، لذلك؛ فإن (IF) له أهمية كبيرة في دقة المحاكاة.

كذلك تم تقديم ثلاثة أنواع من (IFs) في (EME)، وهي مرشحات (L) ، (LC) ، (LCL) من بينها يمكن العثور على مرشح (LC) فقط في محاكيات المولد، وذلك على الرغم من قدرة التصفية الأفضل من مرشح (L)، وهو السبب الرئيسي هو أن مرشح (LC) غير متماثل، ولا يمكن تطبيقه على (EME) الذي يعمل في أربعة أرباع.

كذلك تم استخدام مرشح (L) على نطاق واسع في المجالات الكهرومغناطيسية، وهي الميزة الرئيسية لمرشح (L)، حيث أنه يمكن اعتماد وحدة تحكم خطية تكاملية بسيطة (PI) باعتبارها (ICA) نظراً لأنها نظام من الدرجة الأولى، بحيث تم تطوير الكيانات الكهرومغناطيسية القائمة على وحدة تحكم (PI)، حيث يمكن الوصول إلى دقة مقبولة في منطقة التردد الكهربائي المنخفض.

تصميم وتحليل نماذج محاكيات الآلة الكهربائية EME

يوضح الشكل التالي (2)، وهو المخطط العام للـ (EME) المقترح في هذه الدراسة، وبالمقارنة مع الشكل التالي (1)؛ فإنه يتم تشغيل (MDU ، EME) بواسطة مصدرين مستقلين للتيار المستمر بدلاً من المعدل أو محول الطاقة، إلى جانب ذلك يتم اختيار مرشح (LCL) مع التخميد السلبي على أنه (IF)، كما ويقترح (DDPCC) ذو النطاق الترددي العالي باعتباره (ICA) لتحسين الأداء الديناميكي لـ (EME).

بالإضافة إلى ذلك؛ تم اختيار (PMSM) كمحرك مستهدف يتم محاكاته في هذه الدراسة، وذلك لأنه يستخدم على نطاق واسع في أنظمة القيادة الكهربائية بسبب الكفاءة العالية وكثافة الطاقة العالية وصغر الحجم.

• نموذج الآلة: تعتبر دقة نموذج الآلة لها تأثير كبير على دقة المحاكاة، كما تم تنفيذ نماذج الماكينات المختلفة بما في ذلك النماذج الرياضية والنماذج القائمة على جداول البحث المستخرجة من تحليل العناصر المحدودة (FEA)، وفي أنظمة الوقت الفعلي تحظى النماذج الرياضية بشعبية في المحركات الكهربائية نظراً لجهدها الحسابي المنخفض، ولكن لا يمكن أخذ الخصائص غير الخطية للآلة في الاعتبار.

بالنسبة لنموذج الماكينة المذكور أعلاه، يتم استخلاص وظائف ارتباط التدفق وعزم الدوران للتيارات (d) و (q -axis) وموضع الدوار بواسطة (FEA)، وذلك من أجل نموذج أولي (PMSM)، وبعد ذلك يتم الحصول على الخرائط الحالية مقابل روابط تدفق المحور (d ، q) عند مواضع الدوار المختلفة بواسطة المحلول العكسي، تظهر جداول البحث الناتجة عن التيارات (d – ، q -) المحور وعزم الدوران عند (0) درجة في موضع الدوار.

• الخوارزمية المقترحة للتحكم في الواجهة: لا يؤثر عرض النطاق الترددي للنظام على الدقة الديناميكية فحسب؛ بل يحدد أيضاً أداء (EME) بسرعة تشغيل عالية، وبالنظر إلى الخاصية متعددة الأقطاب لمرشح (LCL)، لذلك لم يعد التحكم الخطي (PI) قابلاً للتطبيق نظراً لتوفر عرض نطاق محدود للغاية، إلى جانب ذلك سيتم تشويه الأداء الديناميكي عند سرعة التشغيل العالية بسبب خاصية (LPF)، والتي تزيد من تضييق نطاق سرعة التشغيل.

• تحليل الاستقرار: يعد استقرار النظام شرطاً أساسياً لتشغيل (EME)، وللتحكم في الخلفية يتم ضمان استقرار النظام من خلال إنشاء وظيفة (Lyapunov)، وذلك أثناء الحصول على قانون التحكم، ومع ذلك يتم استنتاج خوارزمية (DDPCC) المقترحة مباشرة بناءً على النظام الخطي، لذلك قد تؤدي معلمات النظام غير المناسبة إلى زيادة ملحوظة في أخطاء التنبؤ وبالتالي تسبب عدم استقرار النظام.

تحليل الاضطراب التوافقي في الآلات الكهربائية وقمعه

نظراً لأن (DDPCC) المقترح هو طريقة تحكم قائمة على النموذج؛ فإن الأداء يعتمد إلى حد كبير على دقة النمذجة (IF)، ومع ذلك؛ فإن (IF) يخضع لتغير المعلمات وعدم اليقين، على سبيل المثال يتناقص الحث مع ارتفاع التيار وتزداد المقاومة مع ارتفاع درجة الحرارة، كما يمكن تمثيل أخطاء التنبؤ والتيار المرجعي الناتجة عن عدم تطابق المعلمة بناءً على مصفوفات الانحراف (ΔAm ، ΔBm ، ΔCm ، Ae ، Be ، Ce)، وذلك كما هو موضح في أسفل الصفحة التالية على التوالي.

كما هو مبين في الشكل التالي، لذلك لا يؤثر التنبؤ وأخطاء التيار المرجعي بشكل مباشر على دقة المحاكاة، ولكن بشكل غير مباشر من خلال جهد الأمر (u ∗ e)، لذلك من الضروري اشتقاق أخطاء جهد القيادة لمزيد من التحليل، بحيث يمكن التعبير عن الفولتية الدقيقة للأمر ضمن عدم تطابق المعلمة على أنها كما هو موضح لاحقاً.

في هذا البحث، يتم تقديم (EME) استناداً إلى مرشح (LCL) للتحقق من أداء وحدة (MDU)؛ تم اقتراح (DDPCC) ذو النطاق الترددي العالي باعتباره (ICA) في إطار (dq)، والذي يتجنب تعارضات التحكم ويحسن الأداء الديناميكي بشكل كبير. ثم يتم تحليل استقرار النظام وقوته بالتفصيل، كما وقد تم تصميم (UICO) و (UIVO) لقمع تيارات الاضطراب والجهد الناتج عن أخطاء النمذجة.

وعلاوة على ذلك، تم تقديم طريقة نظرية لتصميم المرشح، حيث يتم اعتبار كل من القمع التوافقي وعرض النطاق الترددي والاستقرار والرنين للوصول إلى عملية دقيقة ومستقرة. للتحقق من صحة (EME) المقترحة، كما تم تصميم العديد من ظروف التشغيل العابرة بشكل مخصص، كما وتم اعتماد كل من وضع التحكم في عزم الدوران ووضع التحكم في السرعة بواسطة (MDU).