محاكي الالة الكهربائية المعتمد على بناء جهد الطور

تنفيذ محاكي الالة الكهربائية المعتمد على بناء جهد الطور

يواجه تطوير والتحقق من صحة إلكترونيات القدرة لوحدات التحكم في المحركات (MCU) تحديات كبيرة لأن المرافق الحالية لا تتناسب مع المتطلبات المرغوبة، بحيث تظهر منصة اختبار تسمى محاكي الماكينة الكهربائية (EME) أو جهاز مستوى الطاقة في الحلقة (PHIL) في مثل هذه الحالة، وذلك بالمقارنة مع منصة اختبار (dyno).

كما تتمتع (EME) بمزايا التكلفة المنخفضة ودورة السوق القصيرة واختبار الظروف القاسية لذلك؛ فهي تستخدم على نطاق واسع في السيارات الكهربائية والفضاء توليد طاقة الرياح  ومجالات أخرى، كما أن مبدأ نظام (EME) هو محاكاة الخصائص الكهربائية للمحرك من خلال تتبع التيار، بحيث يتم حساب التيار الكهربائي المستهدف بواسطة نموذج المحرك الذي يكون مدخله هو جهد الطور.

لذلك يوضح الشكل التالي (1) مخطط تخطيطي نموذجي (EME)، كما ويتكون من مرشحات الإخراج ووحدة تضخيم القدرة (PA) وخوارزميات السطح البيني (IA) والنظام الرقمي في الوقت الفعلي (RTDS) ودوائر أخذ العينات، حيث أن وظيفة مرشح الإخراج هي تصفية التوافقيات الحالية عالية التردد التي تسببها العاكسات.

أيضاً يمكن أن تكون بنية مرشحات الإخراج من النوع (L ،LC،LCL)، كما تم إجراء المقارنات في أربعة جوانب وخلصت إلى أن نوع (LCL) لديه أداء أفضل ولكنه يحتاج إلى معادلة حالة دقيقة؛ وإلا سيكون النظام غير مستقر، حيث أن النوع (L) هو نظام من الدرجة الأولى يتمتع بمتانة أفضل.

لذلك تقدم هذه الدراسة نموذج اختيار الحث من النوع (L) وفقاً لمنحدر تتبع التيار الأقصى والحد الأقصى لتذبذب التيار الحالي، وهي الجزء الأساسي لإخراج الفولتية لتنظيم التيار، إلى أن (PA) المثالية تمتلك سمات كسب الوحدة وعرض النطاق الترددي اللانهائي وعدم وجود تأخير زمني، كما إن (PA) المستخدم بشكل متكرر هو نوع وضع التبديل والذي يمكن تصنيفه على أنه عاكس ثنائي المستوى وعاكس متعدد المستويات.

وبالنسبة لدارات أخذ العينات في نظام (EME)؛ فإنه يتم التقاط التيار بواسطة مستشعر تيار عالي الدقة مباشرة، كما أن جهد أخذ العينات هو مدخل نموذج المحرك الذي سينقل خطأ أخذ العينات إلى نموذج المحرك ويؤثر على دقة النظام، بحيث يمكن تقسيم طريقة أخذ عينات الجهد الطرفي إلى نوعين، وهما شريحة (AD) عالية التصنيف لالتقاط جهد خط الخط اللحظي ومتكامل الجهد لحساب الجهد المكافئ في وقت معين.

كما يمكن استخدام شريحة (AD) عالية التصنيف (أعلى من 1 ميجا هرتز) فقط على نظام (EME) القائم على (FPGA)، وذلك نظراً لأن نموذج المحرك الذي يحسب التردد يبلغ حوالي (1) ميجا هرتز أو أعلى، كما إنه غير مناسب لنظام (EME) القائم على (DSP) مع نموذج (10) كيلو هرتز لحساب التردد الكهربائي، وذلك بالنسبة لنظام (EME) القائم على (DSP)؛ فإن الطريقة الأخيرة هي خيار أفضل.

مبدأ العمل والتشغيل الخاص بـ EME

يوضح الشكل التالي (2) مخطط تنفيذ نظام (EME) في هذا البحث، وبالمقارنة مع الشكل السابق (1)؛ فإن هذا التنفيذ يستبدل النظام التجديدي بمصدر طاقة تيار مباشر (DC) أو بطارية ويتم امتصاص الطاقة مباشرة، وفي نفس الوقت يتم إزالة وحدة أخذ عينات جهد الخط، حيث أن العاكس (MCU) و العاكس (EME) كلاهما محولات ذات مستويين لمصدر الجهد الكهربائي ولديهما مصدر طاقة مستقل.

الاشتقاق الرياضي لـ (EME)

يُشتق النموذج الرياضي لـ (EME) بناءً على الشكل (2) التخطيطي، كما يتم تعريف مصدر الطاقة لكل من (MCU ، EME) على أنهما (UDC ، Udc) على التوالي، حيث أن النقاط (O،N) هي أرضية مرجعية لـ (MCU) و (EME)، كما يتم تعريف تشغيل العاكس العلوي على أنه Sx = 1) ، x∈ {A ، B ، C ، a ، b ، c}) بينما (Sx = 0)، وذلك لتشغيل العاكس السفلي، حيث (Lf و Rf) هما محاث مرشح الإخراج ومقاومته المكافئة والتاسع هي المرحلة الحالية.

ووفقاً لقانون الجهد (Kirchhoff):

حيث:

استراتيجية التحكم بالتيار في EME

إن (IA) الخاص بـ (EME) هو نفس الجزء الموضح في الشكل السابق (1)، حيث أن المدخلات والمخرجات الخاصة بنموذج المحرك هي جهد طور وتيارات طور مستهدفة على التوالي، كما يتم تعيين التيارات التي تم حلها كمراجع حالية ويتم إرسال الخطأ بين التيار المرجعي والتيار المقاس إلى وحدة تحكم (PI) للحصول على جهد التعليمات لمحولات (EME)، بحيث تُعرف هذه الطريقة بالتحكم الحالي المباشر، كما أن الأهداف هي محاكاة الخصائص الحالية للمحرك الحقيقي عبر التتبع الحالي.

أيضاً يمكن التعبير عن مبدأ تحكم (PI) من خلال المعادلتين التاليتين (Kpq) و (Kiq)، وهي نسبة (q -axis) وعوامل متكاملة، كذلك (Kpd و Kid) هما نسبة المحور (d) وعوامل متكاملة، كما يظهر مبدأ التحكم الحالي في المحور (Q) في الشكل التالي (3).

إعادة بناء جهد المرحلة المقترحة

كما ذكر أعلاه؛ فإن (EME) القائم على (DSP) هو نظام اختبار منخفض التكلفة وطرق أخذ العينات الحالية إما بها أخطاء كبيرة نسبياً أو تكلفة عالية، كما سيوضح هذا الجزء طريقة إعادة بناء جهد الطور لاستبدال طريقة أخذ عينات عرض النبضة عالية الخطأ الحالية أو دائرة أخذ عينات جهد خط الخط عالية التكلفة عالية التكلفة.

تحليل تشويه الجهد الكهربائي: يعد إدخال الوقت الميت والخصائص غير المثالية للعاكسات مثل تأخيرات التشغيل والإيقاف وانخفاض الجهد للعاكسات والمكثف الطفيلي لجهاز التحويل من الأسباب الرئيسية لتشويه الجهد، بحيث تأخذ هذه الورقة في الاعتبار الوقت الميت وتأخير الانتشار ووقت التشغيل والإيقاف وانخفاض الجهد وتأثير المكثف الطفيلي.

كما يظهر تحليل تشوه الجهد في الشكل التالي (4) (PWMI) المثالي هو (PWM) المعطى، كما أن (PWMDT) يدرج الوقت الميت، [PWMDT + TR]، كما يأخذ في الاعتبار تأخير الانتشار ووقت التشغيل والإيقاف و (UIdeal) و (UActual) و (UEq) هي جهد طرف إخراج مثالي وجهد طرف إخراج فعلي وما يعادل جهد طرف خرج فعلي مكافئ. يُعرَّف التيار بأنه موجب عندما يتدفق من (MCU) إلى (EME) والعكس صحيح.

إعادة بناء حجم الجهد: يتأثر حجم جهد طرف الخرج بقطرات الجهد للثنائيات أو (IGBT) كذلك انخفاض الجهد يعتمد بشكل مباشر على القيمة الحالية وعلامة التيار الكهربائي، وهو مطلوب قياس دقيق للتيار لتحديد انخفاض الجهد، ونظراً لأن مستشعر التيار الدقيق ضروري لنظام (EME) لتشغيل التتبع الحالي؛ فهذه ليست مشكلة، كما نحتاج فقط إلى الحصول على قيم انخفاض الجهد للثنائيات و (IGBT).

وعادةً ما تكون الفولتية الأمامية لمكونات أشباه الموصلات من نفس النوع والجهد وفئة الطاقة في نفس الترتيب، بحيث يمكن اختبار قطرات الجهد للديود و (IGBT) مباشرة، بحيث يظهر في الشكل التالي (5) والشكل (6) قطرات الجهد لكل من (IGBT) والصمامات الثنائية، كما أن (VCE) و (VEC) عبارة عن انخفاض جهد (IGBT) وانخفاض جهد الصمام الثنائي على التوالي، كما تظهر العلاقة بين قطرات التيار والجهد في الشكل التالي (7)، بحيث تمثل (UAL) الجهد الطرفي للمرحلة (A) ويتم عرض جزء الجهد المنخفض فقط.