مستشعر سرعة الدوران للعمود الدوار في الآلات الكهربائية

مستشعر سرعة الدوران للعمود الدوار في الآلات الكهربائيةمستشعر سرعة الدوران للعمود الدوار في الآلات الكهربائيةمستشعر سرعة الدوران للعمود الدوار في الآلات الكهربائيةفي العادة يتم استخدام كاشف قائم على حلقة مغلقة التردد لتقدير سرعة الدوران وموضع الزاوية لعمود دوار آلة كهربائية، بحيث يتكون نظام القياس من خلال مصفوفات من المغناطيس الدائم مثبتة على عمود الدوران مع مستشعرات تأثير هول الخطية المتصلة بإطار ثابت، كذلك تؤدي حالات عدم اليقين البارامترية على مجموعة المستشعرات إلى إشارات مشوشة بشكل كبير.

تحليل مستشعر سرعة الدوران للعمود الدوار في الآلات الكهربائية

تستفيد الآلات الكهربائية الدوارة من استخدام إشارات السرعة والموضع لتحقيق التحكم في الحركة، وذلك مع كهربة العديد من التطبيقات في المجالات الصناعية والفضائية والسيارات، بحيث يجب أن تكون الحلول المقدمة دقيقة وقوية وفعالة من حيث التكلفة، كما تكتسب المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) شعبية متزايدة في السياقات المذكورة أعلاه، وذلك نظراً لنسبة عزم الدوران إلى الحجم المواتية مقارنة بتقنيات الماكينة الأخرى.

ومع ذلك؛ فإن ردود الفعل على الموقع مهمة بشكل خاص في الآلات المتزامنة لتنفيذ ما يسمى بالتحكم الميداني، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يمكن للآلات الأخرى مثل المحركات الحثية أن تستغل ردود الفعل الحركية لتحسين أداء التحكم الكهربائي.

بشكل عام، تستخدم الآلات الكهربائية وحدات التحليل أو المشفرات لقياس موضع الدوار وسرعته.، كما تعتمد المحولات الكهربائية على دائرة مغناطيسية بها أجزاء ثابتة (الجزء الثابت) ومتحركة (دوار)، بحيث يقترن دوار وحدة الحل ميكانيكياً بعمود المحرك وله ملف إثارة يغذيه جهد جيبي عالي التردد الكهربائي، كما يقدم الجزء الثابت بشكل عام ملفين لاقط في التربيع لقياس القوة الدافعة الخلفية الناتجة عن إثارة الدوار.

كذلك ينتج عن إزالة تشكيل إشارات ملف الالتقاط الموضع الزاوي للدوار، وفي المقابل تعتمد المشفرات على القراءات الضوئية للشقوق المحفورة على قرص دوار، وعلى الرغم من أن هذين الحلين شائعان ودقيقان بدرجة كافية لمعظم التطبيقات؛ إلا أنهما مكلفان ويتطلبان تثبيتاً وضبطاً حذرين قبل استخدامه.

ولهذا السبب تم تكريس العديد من الجهود لتطوير حلول تحكم بدون أجهزة استشعار تقدر موضع الدوار من الإشارات الأخرى، مثل الفولتية والتيارات الآلية، وفي الممارسة العملية يزيل التحكم بدون استشعار وجود محول الطاقة من التطبيق، ومع ذلك قد تواجه تقديرات الحركة تحديات في مواقف مثل بدء التشغيل، وفي ظل فترات عابرة ثقيلة وأثناء تباينات الحمل الديناميكي وبينما يمكن قبول هذه العيوب في بعض الأنظمة؛ لا تزال العديد من التطبيقات تتطلب حل استشعار أكثر قوة.

دور محولات القدرة الكهربائية في عمليات استشعار سرعة الدوران

عادةً ما يلزم وجود محولات طاقة قوية ومنخفضة التكلفة، بحيث يمكن قياس موضع الدوار بالوسائل المغناطيسية باستخدام مستشعرات تأثير هول الخطي (HES)، ومن وجهة نظر بناءة يتطلب هذا الإعداد قراءة اثنتين أو أكثر من الإشارات التناظرية، كما أنه يتم تثبيت المستشعرات على إطار ثابت لقياس كثافة التدفق المغناطيسي التي توفرها مجموعة مغناطيسية دوارة.

كذلك يمكن أن تكون هذه المغناطيسات أقطاب الجزء النشط من الدوار، لذلك إذا كانت قابلة للقياس أو عناصر مخصصة، وإلى جانب التكلفة؛ تعد المحولات المغناطيسية مناسبة للتطبيقات المغمورة بالسوائل، مثل مشغلات الطاقة المائعة، ومع ذلك؛ فإن أحد العوائق الرئيسية لهذا الحل هو عدم الخطية القوية التي تؤثر على شدة المجال المغناطيسي.

كما تتضمن الحلول البديلة النموذجية لتطبيقات استشعار السرعة أو الموضع مستشعرات تأثير هول المنفصلة (dHES)، أيضاً وتسمى مستشعرات ثنائية القطب أو مستشعرات التبديل، بحيث لا توفر (dHES) كثافة تدفق مطابقة للإشارة، ولكنها بدلاً من ذلك تقوم بتشغيل حالتها وإيقافها بناءً على قطبية المجال المكتشف.

تخطيط جهاز الاستشعار الخاص بسرعة دوران الآلات الكهربائية

يركز البحث الحالي على مستشعر الموضع القائم على (HES) المثبت على محرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM)، كما يصف الشكل التالي (1) الإعداد والأجزاء الرئيسية التي تتألف منها المستشعر ووضعها في (PMSM)، كذلك يتم استخدام هذا الإعداد في المخمد الدوار المتجدد، حيث تكون إشارات الموضع أساسية لالتقاط الطبيعة البديلة لسكتة تعليق السيارة.

كما يتم وضع مغناطيس دائم مستشعر على شكل زر (PM) على الطرف الخلفي من عمود الدوار، وعلى وجه الخصوص؛ فإنه من الملائم أن يتطابق عدد أجهزة الاستشعار (PMs) مع عدد مغناطيسات المحرك (Nm)، حيث يتم إعطاء عدد أزواج القطب من خلال:

أيضاً ويتم تعريف زاوية ميل القطب على أنها:

لقياس التدفق المحوري لصفيف أجهزة الاستشعار (PMs)، يحتفظ غطاء المحرك (الإطار الثابت) بلوحة مستشعر مزودة بـ (Nh) الخطي (HES)، بحيث يخضع موقع هذه المستشعرات لزاوية درجة حرارة المستشعر لتكوين من مستشعرين، كما توضع المحولات في التربيع وبالتالي تكون:

وبالمثل، تستخدم إعدادات المستشعرات الثلاثة توزيعاً متوازناً ثلاثي الطور، وبالتالي:

حيث أنه يمكن للفهرس (k) استغلال الدورية وملاءمة المستشعرات في اللوحة دون تداخل هندسي.

كما تتميز التطبيقات الصناعية بتكوينات (HES) متعددة وفقاً لاحتياجاتها، حيث تشتمل أكثرها شيوعاً على اثنين أو ثلاثة من (HES)، وبشكل عام يتطلب التحكم الميداني اثنين فقط من (HESs) في التربيع، ومع ذلك؛ فإن استراتيجيات التحكم الأخرى مثل نهج مرحلتين لما يسمى بمحركات التيار المستمر عديمة الفرشاة تستخدم عادة ثلاثة (dHESs).

وعند تفضيل عتبات الإغلاق المخصصة أو القياسات الزاوية المستمرة؛ فإنه يتم استبدال (dHES) بـ (HES) الخطي، ومن منظور الأجهزة يهدف هذا العمل إلى استغلال تلك التكوينات القياسية باستخدام المستشعرات الخطية، وبالتالي ستتم معالجة المشكلة عن طريق استراتيجية تقدير جديدة لهذا النوع من القياسات.

كما يمكن أن يساعد نموذج العناصر المحدودة المغناطيسية في فهم حساسية هذا الإعداد، بحيث يتم تقييم المجالات ثلاثية الأبعاد في الشكل التالي (2) باستخدام وحدة (AC / DC) الخاصة بـ (COMSOL Multiphysics)، كما يتم استغلال الدورية لتقليل النفقات الحسابية، وبالتالي تنتمي المجالات المدروسة إلى زوج قطب واحد.

اما بعد الحسابات؛ فإنه يتم الحصول على كثافة التدفق المغناطيسي المحوري (Bz) عند فجوات هوائية مختلفة، بحيث تتراوح من (1) إلى (3) مم، بحيث تمثل الفجوة الهوائية (g) المسافة المحورية بين عنصر الاستشعار وسطح أجهزة الاستشعار (PMs)، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يتم قياس (B) على طول القوس حيث يتم تجميع (HES) لتقليد دوران كهربائي واحد، كما يوضح الشكل التالي (3) نتائج الفجوات الهوائية المختلفة على طول الدوران الكهربائي.

كما تُظهر الإشارات المكتسبة المصورة تبايناً كبيراً فيما يتعلق بفجوة الهواء (g)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (4)، لذلك إذا افترضنا أشكال موجة جيبية مثالية؛ فيمكن تعديل اتساعها إلى دالة أسية متحللة لـ (g)، بحيث تكون:

مع السعة القصوى (B0 = 623.4 mT) و (γ = 0.86) مم.

وأخيراً تشير النتائج الأولية إلى أن أي اختلاف (أو تفاوتات التصنيع) عند التجميع المحوري لجهاز الاستشعار يمكن أن يؤثر بشكل كبير على ناتج القياس، على سبيل المثال يمكن أن يؤدي الانحراف المحوري الطفيف بين محول الطاقة ومستشعر (PM) إلى قراءات غير دقيقة للجهد الكهربائي، والتي تتطلب تفصيلاً لاحقاً في الوقت الفعلي، كما يوضح الشكل التالي (5) عدم الدقة في تثبيت مستشعر (PM) على أحد النماذج الأولية المختبرة.