اقرأ في هذا المقال
أهمية زيادة العمر الافتراضي لمرحلة إلكترونيات القدرة لمحركات التيار
في السنوات الأخيرة، ازداد استخدام محركات التيار المستمر عديمة الفرشاة (BLDCMs) في العديد من التطبيقات مثل أدوات التحكم في العمليات الصناعية وأدوات الآلات الدقيقة وإلكترونيات السيارات والفضاء والروبوتات والمركبات الكهربائية بسبب مزاياها، مثل وجود هيكل بسيط وانخفاض مستوى الضجيج وعزم دوران كهرومغناطيسي عالي وكفاءة عالية.
كما تم استخدام نماذج (BLDCM) بشكل متكرر في المحركات الكهربائية عالية الأداء، بحيث يوجد نوعان أساسيان من هياكل التحكم في السرعة لـ (BLDCMs)، والحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة، كما ترتبط هذه الهياكل ارتباطاً مباشراً بمرحلة إلكترونيات القدرة ونظام الاستشعار في المحرك الكهربائي، وفي الهياكل ذات الحلقة المغلقة.
كما يعد العاكس “ثلاثي الأرجل” مخططاً أساسياً في مرحلة إلكترونيات القدرة والذي يشتمل عادةً على ترانزستورات ثنائية القطب ذات بوابة معزولة (IGBTs) أو ترانزستورات تأثير مجال أشباه الموصلات المعدنية (MOSFETs)، وعلاوة على ذلك يشتمل نظام الاستشعار على مستشعرات “تأثير هول”، والتي تكتسب موضع الدوار وتوفر إشارة كهربائية وفقاً لشدة المجال المغناطيسي.
كما تستخدم خوارزمية التحكم مثل تضمين المنطق الضبابي وتحسين سرب الجسيمات الضبابي (Fuzzy-PSO) والمشتق النسبي المتكامل (PID) بشكل شائع في تصميم التحكم في السرعة التزامنية، كما تم تطوير في هذا الطرح هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام (Fuzzy-PSO) إلكترونياً لغرض تحسين درجة حرارة مرحلة الطاقة والسرعة المرجعية في (BLDCM).
لذلك يتطلب التحكم في السرعة في (BLDCM) (المحرك الكهربائي بلا فُرش) تبديلاً عالي الطاقة في أشباه الموصلات، وبالتالي تعمل أشباه الموصلات تحت ضغط حراري مرتفع للوصول إلى السرعة المرجعية، وفي بعض الحالات بعد فترة معينة من التشغيل تضررت أشباه الموصلات بسبب ضغوط التحكم في السرعة التي تنتجها الأجهزة الإلكترونية للطاقة.
عندما تولد وحدة التحكم إشارات أوامر غير منظمة، مما يقلل من عمرها، ومن ثم فقد تم تعزيز البحث الخاص بالتنبؤ بعمر أشباه الموصلات وتحسينه بهدف تطوير خوارزميات تحكم جديدة من شأنها أن تساعد في تحسين الظروف داخل أشباه الموصلات، وعادة يتم إجراء دراسة عمر أجهزة إلكترونيات الطاقة من خلال تجارب حقيقية يقوم بها مصنعو إلكترونيات الطاقة الذين يقدمون معلومات حول كيفية تصميم مراحل إلكترونيات القدرة التي تحتوي على مكونات مثل (IGBTs أو MOSFETs).
هيكل ووضع القيادة الخاص في BLDCM
يمكن تقسيم هيكل التحكم في السرعة (BLDCM) إلى ما يلي، هيكل دوار ونظام مراقبة ونظام تحكم ونظام عاكس للطاقة، بحيث يشتمل هيكل الجزء المتحرك على الجزء الثابت مع ملف المحرك المشابه لتلك التي تظهر في المحركات المتزامنة أو المحركات الحثية، كما يتكون نظام المراقبة من مستشعرات الموقع.
لذلك يشتمل نظام التحكم بشكل عام على إشارات مرجعية وإشارات قياس، أخيراً يتكون نظام عاكس الطاقة من مكونات إلكترونيات الطاقة لتشغيل (BLDCM)، بحيث يوضح الشكل التالي (1) تصميم الدائرة الكهربائية لمعيار (BLDCM) في (Multisim ™).
وضع القيادة في (BLDCM): يتم تحريك سرعة [BLDCM (M1)] بواسطة التيار الكهربائي، والذي يتم إنشاؤه لأن الملفات تولد مجالاً مغناطيسياً متعامداً مع اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الدائم (PM) عند تطبيق جهد (V1) على الجزء الثابت، كما يتم تحقيق التسلسل الحالي عن طريق تشغيل أشباه الموصلات (Q1 و Q2 و Q3 و Q4 و Q5 و Q6)، بحيث يقاس موضع المحرك بثلاثة مستشعرات تأثير هول (A و B و C)، والتي ترسل إشارة جهد إلى ملفات معينة من(BLDCM).
الحالات الخاصة ونموذج الفراغ: يمكن وصف نموذج (BLDCM) الديناميكي في شكل فضاء الحالة، وهو تمثيل لمجموعة من المعادلات التفاضلية، كما يعتبر نموذج (BLDCM) الديناميكي دائرة مقترنة لملف الجزء الثابت فيما يتعلق بالثوابت الكهربائية للمحرك، والتي تم وصفها في المعادلة التالي.
حيث أن (R) هي مقاومة الجزء الثابت لكل مرحلة و (ias ، ibs ، ics) هي تيارات طور الجزء الثابت و (easy ، ebs ، ecs) هي قيم القوى الدافعة الكهربائية الخلفية الدوارة (Back-EMFs) الناتجة عن ارتباط التدفق المتعرج الناتج عن الدوار الدوار.، كما يمكن تمثيل (BLDCM) بالدائرة المكافئة الموضحة في الشكل التالي (2).
لذلك يتم إعطاء (EMF) المستحث بواسطة المعادلات التالية:
حيث أن:
[fas (θ)، fbs = fas (θ − 2π / 3) ، fcs = fas (θ + 2π / 3)]: هي أشكال موجية عكسية (EMF) لكل مرحلة.
[(ψm = 2NSBm)]: هي القيمة القصوى للمغناطيس الدائم (PMs).
(ψm): هو رابط التدفق لكل ملف.
(N): هو عدد لفات اللف.
(S): ناتج نصف قطر الدوار والطول الفعال للموصلات.
(Bm): هي القيمة القصوى لتوزيع الكثافة المغناطيسية الدائمة في فجوة الهواء، بحيث يتم التعبير عن نموذج (BLDCM) الديناميكي، حيث يتم النظر في تيارات الطور للف والسرعة الزاوية وموضع الدوار.
ونظراً لأن النموذج يعتبر اللفات متناظرة؛ فإن الحث الذاتي سيكون مساوياً مثل (Las = Lbs = Lcs = L)، كما ويتم إعطاء قيم الحث المتبادل كـ (Mab = Mbc = Mca = M)، وبالتالي يتم إعطاء عزم الدوران الكهرومغناطيسي بواسطة المعادلة التالية:
كما يتم وصف النموذج الكامل للنظام الكهروميكانيكي بواسطة المعادلة التالية:
حيث أن:
(Tl): هي عزم الحمل الكهربائي.
(J): هي لحظة القصور الذاتي للجزء المتحرك.
(B): هي معامل اللزوجة.
(ωm): هي السرعة الزاوية.
(ω˙m): هي التسارع الزاوي.
في هذا البحث ، تم اقتراح تصميم وحدة تحكم يمكنه زيادة عمر مرحلة إلكترونيات الطاقة والوصول إلى السرعة المرجعية لمحركات التيار المستمر بدون فرش، بحيث يأخذ تصميم وحدة التحكم في الاعتبار درجة الحرارة الحالية في مرحلة إلكترونيات القدرة ودرجة الحرارة المرجعية وسرعة المحرك الحالية وسرعة المحرك المرجعي.
كما تعتبر هذه الميزات بمثابة وظيفة موضوعية لتحسين وحدة التحكم. تم اقتراح الخطأ كمجموع لخطأ درجة الحرارة وخطأ السرعة، وعلاوة على ذلك تم تصميم وحدات التحكم (PID) والمنطق الضبابي ووحدات التحكم (Fuzzy-PSO) وتحليلها باستخدام برنامج المحاكاة المشتركة (NI LabVIEW ™ و Multisim ™)، و وفقاً للنتائج، يعمل جهاز التحكم (PID) بسرعة للوصول إلى السرعة المطلوبة، ولكن درجة الحرارة في مرحلة إلكترونيات الطاقة، مما يزيد من الوقت المستغرق للوصول إلى القيمة المطلوبة.
كما يوفر (FLC) استجابة جيدة من حيث الوصول إلى درجة الحرارة والسرعة المطلوبة عن طريق تقليل درجة الحرارة في مرحلة إلكترونيات الطاقة، مما يزيد من الوقت المستغرق للوصول إلى القيمة المطلوبة، وهذا بسبب استخدام خوارزمية (PSO) لضبط وظيفة عضوية وحدة التحكم من أجل تقليل درجة الحرارة في مرحلة إلكترونيات الطاقة.
ونتيجة لهذا التحسين؛ فقد تحصل وحدة التحكم (Fuzzy-PSO) على استجابة جيدة تزيد من عمر إلكترونيات الطاقة وتصل إلى نقطة الضبط المطلوبة، وعلى وجه التحديد تزيد وحدة التحكم (Fuzzy-PSO) من الوقت للوصول إلى السرعة المطلوبة وتقلل من تجاوز التيار أثناء فترة الانتقال مما ينتج عنه أدنى ضغط وتدهور لمكونات إلكترونيات القدرة الكهربائية.
