تعديل العاكس المزدوج للمحرك المتزامن مفتوح النهاية

الضرورة من تعديل العاكس المزدوج للمحرك المتزامن مفتوح النهاية

في الآونة الأخيرة، وبسبب المشكلة البيئية وارتفاع أسعار الوقود؛ فقد تم اعتماد أنظمة المحركات الكهربائية لأنواع عديدة من تطبيقات الجر مثل القطار والمركبة التي كانت تُقاد تقليدياً بواسطة محرك الاحتراق الداخلي (ICE) أو محرك الاحتراق الخارجي (ECE).

وبالإضافة إلى ذلك، ونظراً لأن كفاءة نظام الجر الكهربائي أعلى من كفاءة محرك (ICE)؛ فإن مركبات الجر الكهربائية لديها عدد أميال أعلى من مركبات (ICE)، كما أنه من المتوقع أن تصبح كفاءة السيارة الكهربائية الهجينة المستقبلية (HEV) والمركبة الكهربائية (EV) أعلى من المستوى الحالي بفضل التحسينات في طوبولوجيا العاكس وأجهزة التبديل وتقنيات تصميم المحرك.

تُستخدم محركات التيار المتردد و”المحركات المتزامنة” ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) والمحركات الحثية عموماً كمحرك جر لـ (HEV)، ونظراً لكفاءتها العالية على الرغم من أن تقنية التحكم المعقدة مطلوبة، ومن بين محركات “التيار المتردد”، تُستخدم (PMSM) في الغالب في (HEV) بسبب كفاءتها العالية وضغطها.

وعلى وجه الخصوص، يعد المحرك المتزامن الداخلي ذو المغناطيس الدائم (IPMSM) مناسباً لتطبيق (HEV)، ونظراً لعزم دورانه في منطقة ضعف المجال، كذلك لأن منطقة التشغيل المطلوبة لمحرك (HEV) أوسع بكثير من التطبيقات الأخرى؛ فإن عزم دوران الممانعة وخاصية إضعاف المجال الواسع تجعل (IPMSM) معتمداً لمحرك الجر لـ (EV).

تأثير الكفاءة على مبدأ تعديل العاكس المزدوج للمحرك

كما تأتي الكفاءة العالية لـ (PMSM) بشكل أساسي من تدفق الدوار المتأصل من المغناطيس الدائم، بينما تحتاج المحركات الأخرى إلى تيار الدوار لتوليد تدفق الدوار، بحيث بفضل هذا التدفق الدوار، كما تكون الكفاءة التي تقل عن السرعة المقدرة أعلى من المحركات الأخرى، حيث أن معامل القدرة في (PMSM) أعلى من الآلات الأخرى.

ومع ذلك؛ فإن هذا التدفق الثابت للدوار يولد قوة دافعة خلفية عالية (EMF خلفي) في منطقة السرعة العالية، ونظراً لأنه يجب التحكم في جهد خرج العاكس تحت النطاق المتاح؛ فإن التحكم في إضعاف المجال ضروري للعملية عالية السرعة، بحيث يقلل تيار المحور (d) السالب من (EMF) الخلفي ويخفض الجهد الكهربائي المطلوب.

وبالتالي؛ فإنه يمكن الحفاظ على النظام في عملية مستقرة. على الرغم من أن (IPMSM) تُظهر كفاءة أعلى من تلك الموجودة في (PMSMs) الأخرى في منطقة السرعة العالية؛ فمن الصحيح أن المجال الحالي يضعف عزم دوران الخرج ويقلل من الكفاءة، ومن خلال هذه الأسباب؛ فإنه يلزم وجود جهد مرتفع للتيار المستمر لتقليل تيار إضعاف المجال وتأمين التشغيل عالي السرعة لـ (HEV).

ومع ذلك؛ فمن الصعب إنتاج جهد عالي للتيار المستمر مباشرة من البطارية لأن تكديس خلايا البطارية يتطلب دوائر موازنة خلوية معقدة، كما أن الأهم من ذلك كله والمحتمل أن يكون الجهد العالي للبطارية خطيراً، لذلك يتم استخدام محول زيادة التيار المستمر إلى تيار مستمر بشكل عام لإنتاج جهد عالي للتيار المستمر من جهد بطارية منخفض نسبياً.

حيث يظهر الشكل التخطيطي البسيط لنظام القيادة مع محول التيار المستمر إلى التيار المستمر في الشكل التالي (1)، ومع ذلك؛ فإن هذا النوع من النظام المتتالي يؤدي إلى تدهور كفاءة النظام، كما أن نسبة التعزيز لمحول التيار المستمر إلى العاصمة ليست عالية أيضاً، وعادةً ما بين (2) و (3)، لأن نسبة التعزيز العالية تقلل الكفاءة.

ونظراً لأن المحرِّض المستخدم في محول التيار المستمر إلى تيار مستمر يتطلب حجماً ووزناً هائلين؛ فقد تمت الإشارة إليه أيضاً على أنه عيب في محول التيار المستمر إلى تيار مستمر، وللتغلب على عيوب النظام المتتالي باستخدام محول (DC – dc)؛ فإنه تم إجراء العديد من الدراسات.

استخدام العاكس المزدوج للحصول على جهد طور عالي

يمكن أيضاً استخدام العاكس المزدوج للحصول على جهد طور عالي لـ (HEV)، وذلك بدون محول تيار مستمر إلى تيار مستمر لأن كل مرحلة يمكن اعتبارها محول جسر كامل، كما يمكن تصنيف الأبحاث السابقة حول طوبولوجيا العاكس المزدوج إلى ثلاث مجموعات حسب الموضوعات.

كما أن العاكس متعدد المستويات يكون مكامل في النظام وذو وظيفة التعزيز، بحيث يركز هذا الطرح بشكل خاص على إمكانية تعزيز نظام العاكس المزدوج، كما تم اقتراح عاكس مزدوج مع مكثف طيران كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث استخدموا العاكس الطائر المعزول كمصدر طاقة تفاعلي.

أيضاً تم اقتراح طريقة التحكم في الفصل وطريقة تنظيم الجهد الكهربائي المباشر للعاكس المزدوج مع مكثف الطيران، كما تم تصميم العاكس المزدوج مع مكثف الطيران على شكل مغو متصل بالسلسلة، ومع ذلك، هناك العديد من المشاكل مثل التكاليف والحجم والكفاءة المنخفضة نسبياً بسبب الخسارة العالية في العاكس.

ومن أجل تحسين الكفاءة؛ فقد درس حول تشغيل العاكس المزدوج مع مكثف الطيران عند اعتماد عملية من ست خطوات لكلا العاكسين، بحيث تم فحص طريقة نقل الطاقة ذات النمط الشائع بواسطة نظام عاكس مزدوج، وهناك نظام تحويل “طاقة الرياح” المقترح مع مفهوم العاكس المزدوج.

كما تم استخدام ما يسمى بـ (IGCTs) ذات الكفاءة للعاكس الجانبي للمولد لطريقة التعديل المكونة من ست خطوات، كما أنها تقدم طريقة تعديل التعويض لجعل تيار الخرج الجيبي، ومع ذلك؛ فإن مزيداً من الدراسة وطرق التحكم مطلوبة عندما يتعلق الأمر بتطبيقات قيادة السيارات.

يقدم هذا الطرح استراتيجية التحكم لمحرك مفتوح النهاية مزود بعاكس مزدوج مزود بمكثف طيران كما هو موضح في الشكل السابق، بحيث تتكون طريقة التعديل الهجين المقترحة من ست خطوات من العاكس الجانبي المدخل، (Inv1) وتعديل عرض النبضة (PWM) لـ العاكس المعزول، حيث أن الجزء الثاني يكون بتطبيق طريقة التعديل الهجين المقترحة، ويتم توسيع منطقة التشغيل في منطقة عالية السرعة.

أيضاً يتم زيادة الكفاءة ويمكن أيضاً تقليل الحجم نظراً لتقليل الخسائر الناتجة عن تبديل جهاز الطاقة وتيار إضعاف المجال، لذلك لا تشمل كائنات التحكم في العاكس المزدوج المقترح مع نظام مكثف الطيران فقط عزم الدوران الناتج ولكن أيضاً تشمل جهد مكثف الطيران.

وبالنسبة لهذا التحكم؛ فإنه يتم النظر في تدفق الطاقة بين محولين والمحرك في وقت واحد، بينما تولد الخطوات الست قوة التموج، لذلك؛ فإن الطريقة المقترحة في هذا البحث تزيل التموجات باستخدام (PWM) للعاكس المعزول، كما تقدم هذه الورقة تفاصيل البحث السابق، وهو الذي أظهر جدوى طريقة التعديل الهجين ويقترح طريقة التشكيل الهجين بزحزحة الطور.

وأخيراً؛ فإن طريقة التعديل الهجين التي تستخدم التعديل الهجين الذي يجمع بين التعديل المكون من ست خطوات و (SVPWM) للعاكس المزدوج مع طوبولوجيا المكثف الطائر، بحيث تتميز طريقة التعديل المقترحة بالكفاءة العالية ومنطقة التشغيل الواسعة، كما أنه يزيد من مزايا نظام العاكس المزدوج ويقلل من العيوب مثل تموج تيار البطارية وفقدان العاكس العالي.