دوران محركات التيار المستمر باستخدام الحقن العالي للتردد

تعزيز دوران محركات التيار المستمر باستخدام الحقن العالي للتردد

نظراً لهيكلها البسيط وتشغيلها الموثوق وكفاءتها العالية؛ فقد تم استخدام (BLDCM) على نطاق واسع في الفضاء والعبور بالسكك الحديدية وإلكترونيات السيارات والأجهزة المنزلية، وبشكل عام؛ فإن هناك حاجة إلى مستشعر الموضع لاكتشاف موضع الدوار لـ (BLDCM)، ومع ذلك؛ فإن مستشعر الموضع سيزيد من حجم ووزن المحرك، كما ويزيد من توصيلات النظام ويقلل من موثوقية النظام.

بالإضافة إلى ذلك؛ فإن مستشعر الموضع غير مناسب لدرجات الحرارة المرتفعة والضغط العالي والظروف المعاكسة الأخرى، لذلك؛ فد أصبحت استراتيجيات التحكم بدون أجهزة استشعار واحدة من النقاط الساخنة في عملية التحكم غير المستشعر، كما يكون تحديد موضع الدوار الأولي هو أساس بدء التشغيل المستقر بدون انعكاس، ويؤثر بشكل مباشر على أقصى عزم دوران لبدء التشغيل وأدنى وقت لبدء تشغيل المحرك.

في الوقت الحاضر، تعتمد طرق الكشف الأولي عن موضع الدوار بشكل أساسي على العلاقة بين تحريضات اللف وموضع الدوار، والتي يمكن تقسيمها إلى فئتين، بحيث يستخدم النوع الأول من الطرق الاختلاف في تحريضات اللف الناتج عن تأثير تشبع القلب لاكتشاف موضع الدوار الأولي، كما يتم تطبيق ستة نواقل جهد بالتتابع على لفات المحرك، كما ويتم تحديد موضع الدوار الأولي بمقارنة حجم تيار الاستجابة.

لذلك تستخدم الطريقة وضع التوصيل ثلاثي الطور وتطبق بالتتابع أربعة نواقل “جهد لملفات المحرك” لاكتشاف موضع الدوار الأولي، ومن أجل تجنب استخدام مستشعرات تيار عالية الدقة، يتم تطبيق ثلاثة متجهات جهد بالتتابع على لفات المحرك.

أيضاً يتم الكشف عن موضع الدوار الأولي بمقارنة مدة الثنائيات الحرة، بحيث يمكن تطبيق هذه الطريقة على (BLDCM) بهياكل دوارة مختلفة، لكن الاختلاف في محاثة اللف الناجم عن تأثير التشبع صغير، مما يجعل اكتشاف هذه الطريقة أمراً صعباً.

العلاقة بين محاثة اللف وموضع الدوار الناتج عن تأثير القطب

يعتبر النوع الثاني من الطرق يستخدم العلاقة بين محاثة اللف وموضع الدوار الناتج عن تأثير القطب البارز للكشف عن موضع الدوار الأولي، بحيث يمكن تقسيم عملية الكشف إلى خطوتين، وذلك أثناء الخطوة الأولى، بحيث يتم تحديد موضع الدوار الأولي إلى قسمين مع اختلاف زاوية كهربائية بمقدار 180 درجة عن طريق الكشف عن محاثات اللف ثلاثية الطور.

كما أن الخطوة الثانية هي تحديد قطبية دوار المغناطيس الدائم، بحيث يمكن تحديد موضع الدوار الأولي في قطاع فريد، بحيث يتم تطبيق ستة نواقل جهد بالتسلسل على لفات المحرك، ويتم الحصول على العلاقة بين محاثات الملف ثلاثية الطور من خلال مقارنة جهد الطور المنفصل، بحيث يمكن تحديد موضع الدوار الأولي إلى قسمين.

ولاحقاً يتم تطبيق متجهين للجهد على لفات المحرك للحصول على العلاقة بين محاثات اللف ثلاثية الطور، وبعد ذلك يتم استخدام متجه جهد ثالث لتحديد قطبية دوار المغناطيس الدائم، بحيث يمكن تحديد موضع الدوار الأولي في قطاع فريد بزاوية كهربائية (30) درجة، كما يتم تطبيق ثلاثة نواقل جهد بالتتابع على لفات المحرك، أيضاً يتم الحصول على العلاقة بين محاثات الملف ثلاثية الطور من خلال مقارنة حجم تيار الاستجابة.

بعد ذلك، يتم تطبيق متجهي جهد معاكسين على لفات المحرك لتحديد قطبية دوار المغناطيس الدائم، بحيث يتم تحديد موضع الدوار في قطاع فريد بزاوية 60 درجة كهربائية، وذلك على الرغم من أن الطرق المذكورة أعلاه يمكن أن تكتشف موضع الدوار الأولي، وقد تم تطبيقها على بعض التطبيقات الصناعية، إلا أنها تستخدم العاكس بشكل عام لإنتاج نبضة الكشف.

بالإضافة الى أنه مقيد بجهد وصلة (DC) الثابت وتردد التحويل المحدود للعاكس، لذلك؛ فإن نبضة الكشف ستولد تيار استجابة واضحاً، والذي سيولد عزماً كهرومغناطيسي كبيراً، وذلك بالنسبة لبعض المحركات ذات العزم الصغير من القصور الذاتي، كما قد يتسبب عزم الدوران الكهرومغناطيسي الكبير في انعكاس المحرك وهو أمر غير مسموح به في بعض التطبيقات.

وبناءً على العلاقة بين تحريضات اللف وموضع الدوار الناتج عن تأثير القطب البارز؛ فقد تم اقتراح طريقة جديدة للكشف الأولي عن موضع الدوار في هذا البحث، أولاً تكتشف الطريقة المقترحة العلاقة بين محاثات اللف ثلاثية الطور عن طريق حقن إشارة الكشف عالية التردد في ملفات المحرك بطريقة اقتران، كما ويتم تحديد موضع الدوار الأولي في قسمين بفارق زاوية كهربائي بمقدار (180) درجة.

وبعد ذلك؛ فإنه يتم تطبيق “متجهين متعاكسين” للجهد على لفات المحرك ويتم تحديد قطبية دوار المغناطيس الدائم بمقارنة حجم تيار الاستجابة، بحيث تقلل الطريقة المقترحة بشكل كبير من سعة إشارة الكشف، بينما تزيد من ترددها عن طريق حقن الاقتران، مما يقلل من “تيار الاستجابة” وعزم الدوران الكهرومغناطيسي الناتج عن إشارة التردد العالي ويقلل من إمكانية انعكاس الدوار.

العلاقة بين الحث المتعرج وموضع الدوار

تباين المحاثات المتعرجة الناتجة عن تأثير القطب البارز

بالنسبة لمحركات المغناطيس الدائم ذات “التأثير البارز للقطب”، يكون إحجام الدائرة المغناطيسية للمحور المباشر أكبر من تلك الموجودة في الدائرة المغناطيسية “للمحور التربيعي”، مما يؤدي إلى أن محاثة المحور المباشر (Ld) أصغر من محاثة المحور التربيعي (Lq) ومحاثة اللف تتغير بشكل دوري مع وضع الدوار.

وفقاً لتحليل نظرية المحورين، فإنه يتم الحصول على تعبيرات المحاثات المتعرجة ثلاثية الطور والمحثات المتبادلة من خلال العلاقة التالية:

حيث:

(α): هي الزاوية الكهربائية بين المحور المغناطيسي للمرحلة (A) والمحور التربيعي.

(Laa ،Lbb ،Lcc): هي محاثات ذاتية لملف ثلاثي الأطوار.

(Mab ،Mbc ،Mca ،Mba ،Mcb ،Mac): عبارة عن محاثات متبادلة لفائف ثلاثية الطور.

(Laa0): هو مكون الحث الناجم عن تدفق فجوة الهواء الأساسي.

(La1): هو مكون الحث الناجم عن تدفق التسرب.

(Lg2): هو اتساع مكون الحث الذاتي المتغير مع موضع العضو الدوار.

وبتجاهل تأثير الحث المتبادل بين الملف ثلاثي الطور، يمكن الحصول على شكل موجة محاثات الملف ثلاثية الطور المتغيرة مع موضع الدوار من المعادلة السابقة، وذلك كما هو موضح في الشكل (1)، وهي الزاوية الكهربائية للعضو الدوار موقع، كما أن (La ،Lb ،Lc) هي عبارة عن محاثات لف ثلاثية الطور.

تباين المحاثات المتعرجة الناتجة عن تأثير التشبع الأساسي

يتكون رابط التدفق الكلي للمحرك من وصلة التدفق للمغناطيس الدائم ووصلة التدفق لتيار اللف، والتي يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

حيث:

(λsum): هو ارتباط التدفق الكلي.

(λf): هو رابط التدفق للمغناطيس الدائم.

(L): هو تحريض لف الإثارة.

(i): قيمة المتعرج الحالي.

وعندما يتم حقن التيار في لفات المحرك في نفس الاتجاه أو الاتجاه المعاكس لوصلة التدفق للمغناطيس الدائم؛ فإنه يمكن الحصول عليه من خلال:

وبسبب تأثير تشبع قلب الجزء الثابت؛ فإن ارتباط التدفق الناتج عن التيار يختلف مع اتجاه التيار، بحيث يوضح الشكل التالي العلاقة بين ارتباط التيار والتدفق، وكما هو مبين في الشكل؛ فإن فإن القيمة المطلقة لوصلة التدفق التي يولدها (i +) أقل من القيمة التي يولدها (i−)، لذلك؛ فإن علاقة المحاثات هي (L + <L−).