معالجة الخطأ الكهربائي لمرحلة PMSM المفتوحة

أهمية معالجة الخطأ الكهربائي لمرحلة PMSM المفتوحة

يعد المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) جذاباً لمجموعة متنوعة من التطبيقات، وذلك نظراً لكفاءته العالية وكثافة طاقته، وفي بعض التطبيقات الهامة، مثل المركبات الفضائية والطائرات والمركبات الكهربائية، بحيث تعتبر موثوقية نظام محرك المحرك مهمة جداً، ومع ذلك قد تظهر الأعطال في لف المحرك أو محول الطاقة الكهربائية.

والتي تشير بشكل أساسي إلى أعطال الدائرة القصيرة والدائرة المفتوحة، وبشكل عام يمكن التعامل مع خطأ ماس كهربائي على أنه خطأ دائرة مفتوحة، لذلك حظيت أخطاء الدائرة المفتوحة باهتمام أكبر في السنوات الأخيرة.

وعند حدوث خطأ مفتوح في العاكس، يمكن إعادة تكوين العاكس ثلاثي الطور عن طريق مفتاح النسخ الاحتياطي، ومع ذلك؛ فإن اللف الاحتياطي غير عملي بالنسبة لمعظم (PMSM) الصناعية بسبب زيادة التعقيد والحجم. وبالنسبة إلى (PMSM) ثلاثي الطور، تبقى ملفات مرحلتين فقط تحت خطأ مفتوح الطور، خاصةً إذا تم استخدام تحويلات كلارك وبارك التقليدية؛ فستحتوي معادلة نظام المحرك على قوة غير خطية.

لذلك لا يمكن تحقيق الفصل الكامل لعزم دوران المحرك والتدفق، كما ويصبح تصميم وحدة التحكم معقداً في ظل خطأ المرحلة المفتوحة، كما يمكن الحفاظ على أداء (PMSM) مفتوح الطور طالما أن التيار في المرحلتين المتبقيتين يولد نفس مكونات التيار المحوري (dq) كما هو الحال في حالة ما قبل الخطأ، بحيث يمكن اشتقاق أنه للحفاظ على نفس عزم الدوران المقنن، كما يجب زيادة سعة تيار الطور بمقدار (3) مرات ويجب تنظيم اختلافات الطور بين المرحلتين المتبقيتين إلى (60) درجة وليس (120) درجة.

كذلك هذا يعني أن وحدات التحكم الحالية ((PMS)M) مطلوبة لتتبع إشارتين جيبيتين في الإطار المرجعي (A-B-C)، والذي يكون تردده هو تردد دوران المحرك الكهربائي واختلافات الطور (60) درجة، كما أنه من الواضح أن وحدات التحكم الحالية (PI) التقليدية غير مناسبة لتنظيم هذا النوع من التيارات الجيبية، خاصةً في نطاق السرعة العالية.

ومن أجل تتبع أوامر التيار الجيبي في الإطار المرجعي (A-B-C)، يتم استخدام جهاز التحكم في التباطؤ الحالي أثناء تشغيل المحرك ذي المرحلة المفتوحة، ومع ذلك؛ فإن النظام المعتمد على جهاز التحكم في التخلفية يعاني من تردد التبديل غير الثابت، كما ويقتصر أداء التتبع الناتج، بحيث يوفر جهاز التحكم في الرنين كسباً لا نهائياً عند تردد الرنين الخاص به ويمكن استخدامه لحل المشكلات المماثلة.

ومع ذلك ونظراً لانتقائية عالية، يعتمد أداؤها على دقة تردد الرنين، كذلك قد يؤدي التردد الكهربائي غير الدقيق إلى فقد كبير في الأداء، خاصةً إذا تم استخدام جهاز التحكم في العلاقات العامة أثناء تسريع أو تباطؤ (PMSM)؛ فإن أداء تتبع التيار الجيبي سينخفض في ظل وجود اختلافات في السرعة المطلوبة واضطراب (EMF) الخلفي.

طريقة التوافق مع خطأ PMSM مفتوحة الطور

أوامر تيار المحرك ذات المرحلة المفتوحة: يتم عرض هيكل محرك (PMSM) في الشكل التالي (1)، حيث يتوفر السلك المحايد، وفي ظل ظروف صحية، يتم استخدام العاكس التقليدي ثلاثي الأرجل وتحويل (كلارك / بارك) والنقطة المحايدة غير متصلة (الشكل 1 (a))، وفي حالة حدوث عطل في مفتاح الطاقة، يتم استبدال ساق العطل بالساق الرابعة مباشرة (الشكل 1 (b)).

أما عندما يظهر خطأ مفتوح الطور في لف المحرك؛ فإنه يمكن تحقيق قدرة تحمل الخطأ من خلال توصيل النقطة المحايدة “n” بالساق الرابعة (الشكل 1 (c))، بحيث يستخدم رمز التبديل “Td” في الشكل التالي (1) لتقديم الثايرستور ثنائي الاتجاه.

أولاً يتم تحليل أوامر المرحلة الحالية المتوقعة من (PMSM) مفتوح الطور في الإطار المرجعي (A-B-C) للحفاظ على نفس عزم الدوران، وذلك بافتراض أن المرحلة (A) غير متصلة، في هذه اللحظة (ia = 0) وبالتالي، يجب تطبيق (i0 = −iα) على تحويل كلارك العكسي التالي:

حيث أن:

(ia ، ib ، ic): هي تيارات ثلاثية الطور للمحرك الكهربائي.

(iα ، iβ ، i0): هي التيارات الحركية في إحداثيات (α -β -0) على التوالي.

(i0): هو تيار تسلسل صفري، حيث أن [(i0 = في / 3 = (ia + ib + ic) / 3] وهو فارغ في ظل الظروف العادية.

تحول الإطار المرجعي الجديد: يمكن رؤيته من، بحيث تكون أوامر التيار الكهربائي المعدل متزامنة مع تدفق الجزء المتحرك، وذلك بافتراض أن (γ = 0)، كما يمكن وصف علاقات الطور بين أوامر التيار المعدل في الشكل التالي (2)، وذلك بالنسبة للزاوية الحالية الأخرى (γ)، كما يكون التحليل هو نفسه. في الشكل (2)، كذلك التيارات(i ∗ s و i t و i ∗ r و i ∗ k) هي الأوامر الحالية في الرتل (s-t) والرتل (r-k) على التوالي.

ووفقاً لعلاقة الطور الموضحة في الشكل السابق (2)، كما يمكن إجراء تحويل إحداثي متعامد ثابت أولاً، وذلك على غرار تحويل إطار (A-B-C →) تحويل إطار (α-)، وذلك في حالة المرحلة (A) مفتوحة، كما يمكن الحصول على تحويل الإحداثيات من إطار (B-C-N) إلى إطار (s-t).

تحديد الحث الإضافي (LN): بشكل عام، يتم إدخال محاثة إضافية (Ln) على طول الأسلاك المحايدة (انظر الشكل 1 (c))، بحيث لوحظ أن الحث الإضافي الأكبر سيؤثر على القطع الناقصة لحد الجهد الكهربائي، بينما المحاثة الإضافية الأصغر لا يمكنها القضاء على تموج التيار، وبالتالي من المهم للغاية تحديد قيمة الحث الإضافي (Ln).

مقارنة بين طوبولوجيا (ELSC) وطوبولوجيا (Eles): عند استخدام الجهد بالنسبة لطوبولوجيا (ELSC)؛ فإنه يتم توصيل السلك المحايد بالنقطة الوسطى لمكثف ناقل التيار المستمر (النقطة “s” في الشكل 1)، ولنفترض أن المرحلة (A) مفصولة؛ فإنه يمكن التعبير عن الفولتية الطرفية للمحرك كـ:

حيث أن:

(ub ، uc): هما طرف المحرك إلى الفولتية الأرضية.

(un): هي نقطة محايدة للجهد الأرضي.

(Udc): هو جهد مصدر التيار المستمر.

(Sb ، Sc): هما إشارات التبديل المقابلة للمرحلتين (B ، C) على التوالي.

هيكل تحكم متحمل للخطأ: يتم وصف مخططات كتلة التحكم للطريقة المقترحة وطريقة التعويض الأمامي المغذي للجهد في الشكل التالي (3) والشكل (4)، وفي نظام تحمل الخطأ؛ فإنه يتم إعطاء حالة خطأ المحرك ومرحلة الخطأ من خلال وحدة حكم طور الخطأ، وبالمقارنة مع النظام الصحي؛ فإن نظام تحمل الأخطاء المقترح له هيكل وتعقيد مماثل، كما أن الاختلافات بينهما هي مصفوفة تحويل الإطار المرجعي وطريقة التشكيل.

كذلك يتم اشتقاق مصفوفة التحويل المستخدمة في النظام الصحي بناءً على تحويل كلارك وبارك، بينما يتم اشتقاق مصفوفة التحويل المستخدمة في نظام تحمل الأخطاء المقترح بناءً على التحول الجديد، وخاصةً عندما يكون المحرك سليماً يتم استخدام مصفوفة التحويل التقليدية، وبمجرد حدوث خطأ المرحلة المفتوحة، يتم استبدال مصفوفة التحويل التقليدية بالمصفوفة الجديدة، إلى جانب ذلك في النظام المقترح تُستخدم طريقة (PWM) القائمة على الموجات الحاملة لتعديل جهد التحكم، والذي يوفر تيارات توافقية أقل ودليل تعديل أعلى متاح.