تقنيات التبديل وأجهزة التحكم الذكية للمحرك التعريفي

أهمية تقنيات التبديل وأجهزة التحكم الذكية للمحرك التعريفي

على الصعيد العالمي، ازداد استخدام المحرك الكهربائي كعنصر قيادة والذي يستهلك (40-50٪) من إجمالي استهلاك الكهرباء، كما يمثل (TIM) حوالي (70٪) من استهلاك الكهرباء لتشغيل الأحمال الصناعية، كما زادت “مبيعات المحركات الكهربائية” إلى (85٪)، وذلك بسبب ميزاتها الجذابة مثل السعر المنخفض والبناء البسيط والموثوقية العالية وسهولة الصيانة.

وعلى الرغم من استخدام “محركات التيار المباشر” (DC) على نطاق واسع في المناطق التي تتطلب عمليات سرعات متغيرة، ونظراً لسهولة تشغيلها في التحكم في “تدفق المجال” وعزم الدوران مع تيار المجال والحديد، إلا أنها تعاني من عيوب بسبب وجود المبدل والفرش، مما يؤدي إلى التآكل وما ينتج عنه من حاجة للصيانة الدورية.

كذلك لا تعاني المحركات الحثية من مشاكل في “محرك التيار المستمر” بسبب قوتها وكفاءتها والقدرة على تحمل تكاليفها وقدرتها على تحمل بيئات التشغيل القاسية أو الخطرة وطاقة الإخراج العالية، بحيث يتأثر أداء (TIM) بشكل كبير بالتغير المفاجئ في الحمل الذي يستهلك الكثير من الكهرباء وينتج عنه تكلفة طاقة عالية، بحيث يمكن استخدام (VSD) للتحكم في السرعة والحفاظ على الكفاءة العالية.

ومع ذلك؛ فإن الحصول على كفاءة وأداء عاليين لـ (TIMs) يعتمدان بشكل كبير على نوع تقنية التبديل ووحدة التحكم المستخدمة في (VSD) ، كما تُستخدم تقنيات تبديل عرض النبضة (PWM) بشكل عام للتحكم في مفاتيح محولات مصدر الجهد الكهربائي (VSI) وبالتالي تنظيم جهد الخرج وتردد (TIMs)، حيث تشتمل تقنيات تبديل (PWM) على (PWM) الجيبي (SPWM) ونطاق التباطؤ PWM) (HBPWM)) وتعديل عرض النبض العشوائي (RPWM).

كما تحقق تقنيات التحويل هذه أداءً مرضياً، ومع ذلك في بعض الحالات؛ فإنه يؤدي الوقت الحسابي العالي والتشويه التوافقي وفقدان التبديل إلى حدوث مشكلات في التحكم في (TIM)، بحيث تعد تقنية تعديل عرض النبضة المتجهية (SVPWM) واحدة من أفضل الطرق لمحول مصدر الجهد (VSI) بسبب خسائر التبديل المنخفضة والقدرة على تقليل إشارات الخرج التوافقية التي ينتجها العاكس.

ومع ذلك، يتطلب (SVPWM) حساباً معقداً، مما يعيق تنفيذه في الوقت الفعلي، كما تتم معالجة هذا القصور من خلال (SVPWM) على أساس (ANN) و SVPWM) المستند إلى (ANFIS)، والتي تستخدم لعمليات العاكس الفعالة ومع ذلك، تتطلب الأساليب المذكورة أعلاه بيانات ضخمة وفترات طويلة للتدريب وتعلم الوظائف الخطية وغير الخطية للتنفيذ في الوقت الفعلي.

نظرة عامة حول المحرك الكهربائي التعريفي

يعتبر قفص السنجاب (TIM)، وهو نوع من “محركات التيار المتردد” غير المتزامن مع مبادئ التشغيل القائمة على الحث الكهرومغناطيسي، بحيث تتمثل الوظيفة الرئيسية لـ (TIM) في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، كما يتكون (TIM) من جزأين، وهما الجزء الثابت والدوار، والتي تفصل بينهما فجوة هوائية صغيرة.

كما يعتبر (TIM)، والمسمى بالقفص السنجابي بمثابة المحرك الكهربائي الأكثر استخداماً، وذلك بسبب لفه المعزول في الجزء الثابت والدوار، وهما مصنوعان من قضبان صلبة ومسبوكة ذات موصلية عالية كما هو موضح في الشكل التالي (1).

بحيث يبدأ مبدأ تشغيل (TIM) بتزويد جهد ثلاثي الطور لملف الجزء الثابت مما يجعل الجزء المتحرك يعمل بسرعة متزامنة (ωsmrad / sec) (ωs = 2πfrad / sec)، حيث أن (f) هو التردد المتزامن، كما تولد تيارات الجزء الثابت مجالاً مغناطيسياً دواراً في الدائرة المغناطيسية، وهو قلب الجزء الثابت والدوار بواسطة فجوة الهواء بينهما، كما تعتمد السرعة الميكانيكية المتزامنة (ωsmrad / sec) أو (Nsmrpm) على عدد الأقطاب (P)، بحيث يتم حساب السرعة المتزامنة على النحو التالي:

نمذجة المحرك التعريفي

تم تصميم النموذج الرياضي لـ (TIM) ونظام القيادة الخاص به في الكمبيوتر لتقديم الأنظمة الفيزيائية، بحيث تسلط نمذجة (TIM) هذه الضوء على معلمات التحكم في النماذج، كما يمكن كتابة معادلات الجهد للوصلة المغناطيسية بين الجزء الثابت والدائرة الدوارة لـ (TIM) على النحو التالي:

حيث:

(vbs ،vcs): هي الفولتية ثلاثية الطور للجزء الثابت.

(var ،vbr ،vcr): هي الفولتية الدوارة ثلاثية الطور.

(ias ،ibs ،ics): هي تيارات الجزء الثابت ثلاثية الطور.

(iar ،ibr ،icr): هي التيارات الدوارة ثلاثية الطور.

(rs): هي مقاومة الجزء الثابت.

(rr): هي مقاومة الدوار.

(λas ، bs ، λcs): هي روابط التدفق للجزء الثابت.

(ar،br ،λcr): هي روابط التدفق الخاصة بالدوار.

تقنيات التحويل الخاصة بالمحول التعريفي

تم اختراع أشباه الموصلات الكهربائية المسمى “الثايرستور” (المعدل المتحكم فيه بالسيليكون) في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، بعد ذلك تم تصنيع أنواع أخرى من الأجهزة، مثل التيرستورات وثايرستور إيقاف البوابة (GTOs) وترانزستورات الطاقة ثنائية القطب (BPTs)، (MOSFETs)، (IGBTs)، حيث بدأت أجهزة الطاقة الإلكترونية هذه بعصر جديد لتصميم دوائر محول الطاقة، مثل محولات (AC-DC)، (DC-DC)، (AC-DC) و(DC-AC)، والتي تُستخدم في العديد من التطبيقات.

كما يمكن تحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد عند الإخراج المطلوب بواسطة دائرة محول طاقة تسمى العاكس، بحيث يولد العاكس جهداً متناوباً مع التحكم في الحجم والتردد، بحيث يمكن استخدام العاكس في العديد من التطبيقات.

وبما في ذلك خطوط نقل التيار المستمر ذات الجهد العالي وإمدادات الطاقة غير المنقطعة وتوليد “طاقة التيار المتردد” من خلية الوقود أو مجموعة الخلايا الكهروضوئية (PV)، بحيث يلعب العاكس أيضاً دوراً مهماً جداً في أنظمة التحكم لمحركات (TIM).

أيضاً يمكن تصنيف المحولات على أساس جهد التيار المستمر ومصدر الإدخال الحالي، مثل (VSI) وعاكس المصدر الحالي (CSI)، كما يتم استخدام (CSI) عادةً لتطبيقات محرك التيار المتردد عالية الطاقة، ونظراً لتردد التحويل العالي.

لذلك: فإنه تم استخدام (VSI) لتشغيل الحمل الصناعي، كما تم استخدام العديد من الأجهزة الإلكترونية الكهربائية كأجهزة تبديل، ومع ذلك؛ فإن معظم محركات التبديل تعتمد على (IGBTs)، وذلك نظراً للتبديل السريع وعملية التحكم السهلة والكفاءة العالية.

لذلك يتكون (VSI) النموذجي من ستة مفاتيح (IGBTs) كما هو موضح في الشكل التالي، بحيث يحتوي كل مفتاح على صمام ثنائي حر يحمي الجهاز من “الجهد العكسي” عند إيقاف تشغيل المفتاح. تنقسم المفاتيح الستة إلى مجموعتين، “المجموعة الإيجابية” التي تتكون من المفاتيح العلوية (S1)، (S3)، (S5) والمجموعة السلبية التي تشتمل على المفاتيح (S4)، (S6)، (S2).

كما يتم توصيل كل مرحلة بالتوازي مع زوج من المفاتيح لمصدر التيار المستمر، بحيث يتم وضع سلسلتين من المكثفات على طرف مصدر التيار المستمر لتسهيل جهد الإمداد، كما تتدفق الطاقة التي يتم التحكم فيها إلى الحمل عند تشغيل المفاتيح وإيقاف تشغيلها. يتم إنشاء هذا الضبط من خلال بوابات (IGBT)، والتي يتم استقبالها من إشارات تبديل (PWM) المرتبطة بنظام التحكم.

كذلك تُستخدم تقنيات تبديل “عرض النبضة” (PWM) بشكل عام للتحكم في “مفاتيح محولات” مصدر الجهد (VSI) وبالتالي تنظيم جهد الخرج وتردد (TIMs)، بحيث تتمثل المزايا الرئيسية لتقنيات (PWM) في أن فقد الطاقة في أجهزة التبديل منخفض جداً وذو كفاءة عالية وتشويه منخفض ووقت حساب قصير معدل أدنى في التوافقيات.