أجهزة استشعار التيار الكهربائي في محركات المولد المتزامن

تعد موثوقية نظام توليد طاقة الرياح البحرية مهمة صعبة دائماً، ولحل مشكلة خطأ إزاحة المستشعر الحالي في مجموعة نقل الحركة الكهربائية لنظام توليد طاقة الرياح البحرية، وفي هذه الحالة تم اقتراح طريقة تشخيص تعويض خطأ المستشعر بناءً على الكشف الحالي.

أهمية أجهزة استشعار التيار الكهربائي في محركات المولد المتزامن

كمصدر للطاقة المتجددة؛ وصلت طاقة الرياح إلى (550) جيجاوات من الطاقة المركبة التراكمية في العالم حتى الآن وتساهم بالكثير من إجمالي طاقة التوليد، ومع ذلك؛ فإن حوالي (20) جيجاوات فقط من حصة الإنتاج تأتي من المزارع البحرية، وبالإضافة إلى ذلك وكطوبولوجيا واعدة لطاقة الرياح البحرية؛ تم تطوير المولدات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSGs) بشكل جيد في السنوات العشر الماضية بسبب مزايا الهيكل الخالي من علبة التروس.

كما تُستخدم أجهزة (PMSG) على نطاق واسع في المجالات الصناعية والمنزلية بسبب كفاءتها العالية وكثافة طاقتها العالية وأدائها الأفضل مقارنةً بآلات الحث الكهربائية، ولتحقيق مزايا محركات (PMSG )؛ فإن تقنية التحكم في الحلقة المغلقة ضرورية، ولتحقيق هذا الهدف يتم تثبيت أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار في محرك الأقراص، مثل مستشعر موضع الدوار ومستشعر الجهد الكهربائي والعديد من أجهزة الاستشعار الخاصة بالتيار الكهربائي.

وعادة، يتم تجهيز محرك (PMSG) ثلاثي الأطوار بوصلة (DC) واحدة وأجهزة استشعار تيار ثلاثية الطور، كذلك سوف تؤدي أخطاء الإزاحة الخاصة بأجهزة استشعار الطور الحالية إلى تدهور أداء النظام وحتى تؤدي إلى إيقاف تشغيل النظام، ولكي تكون محدداً؛ فإن أخطاء الإزاحة في مستشعرات الطور الحالية ستؤدي إلى تموجات عزم الدوران مع تردد التشغيل الأساسي، مما قد يؤدي إلى زيادة كبيرة في الاهتزازات الضارة للنظام وبالتالي تؤثر في نهاية المطاف على فترة عمر التشغيل.

لذلك؛ فإنه  من الضروري تشخيص وتقدير أخطاء الإزاحة لأجهزة الاستشعار الحالية، ولحل المشكلة التقنية ذات الصلة؛ فقد قدم الباحثون العديد من الحلول المختلفة، كما يتم التحقيق في مشكلة الصعود للجهد الكهربائي المنخفض أثناء أعطال الشبكة الكهربائية المحلية، بما في ذلك قمع الجهد الزائد وتصميم الحد من الطاقة النشطة.

تحديد أخطاء استشعار التيار الكهربائي في المحركات الكهربائية

من بين جميع طرق تقدير أخطاء الاستشعار الحالية؛ تعد المخططات القائمة على المراقب والمخطط القائم على تحليل متغير النظام هي الاستراتيجيات الأكثر شيوعاً، كما تم اقتراح إستراتيجية انحدار تموج عزم الدوران للتخلص من أخطاء الإزاحة الحالية، والتي لا علاقة لها بمعلمات المحرك الكهربائي، بحيث يتم استنتاج خطأ الإزاحة الحالية من جهد الخرج أو إشارات التغذية المرتدة الحالية.

ومن خلال اختيار طريقة التقدير المناسبة؛ فإنه يمكن تقليل الوقت اللازم لعملية التشخيص بشكل كبير، بحيث يتم تعويض أخطاء الإزاحة الحالية والقياس باستخدام إشارات الجهد المرجعية، والتي يمكن تطبيقها في جميع تطبيقات التشغيل ضمن المحركات الكهربائية، كما تم فحص الأخطاء المفقودة في الإشارة الكهربائية، والتي تستفيد استفادة كاملة من معلومات السعة الحالية وهي مستقلة عن معلمات النموذج الدقيقة.

كما تم اقتراح طريقة لتشخيص أعطال حساس الموضع والتيار الكهربائي، والتي تأخذ في الاعتبار تقلبات المعلمة والحمل الكهربائي، بحيث تم اقتراح طريقة تقدير أخطاء قياس التيار القائمة على مراقب الوضع المنزلق فيما يتعلق بمحرك المحرك الذي يتم التحكم فيه بدون أجهزة استشعار، كما تمت دراسة طريقة التخلص من التموجات الحالية وفيما يتعلق بأخطاء القياس الحالية.

النموذج الرياضي لأخطاء إزاحة المحرك الكهربائي المتزامن

يتم توضيح محرك (PMSG) الذي يأخذ في الاعتبار أخطاء الإزاحة الحالية في الشكل التالي (1)، كما يتم توفير العاكس بواسطة مكثف ناقل التيار المستمر (C) بجهد (UDC، S1،…،S6)، وهي ستة أجهزة طاقة للعاكس ثنائي المستوى، كما تقوم المستشعرات الحالية بقياس التيارات ثلاثية الطور (iA ،iB ،iC) والتيار الناقل المستمر (ibus)، يتم قياس موضع الدوار بواسطة المشفر ويتم إنشاء إشارات (PWM) بواسطة وحدة التحكم للمعالج دقيق.

في الشكل التالي (1)، كما تعتبر أخطاء الإزاحة لدارات أخذ العينات داخل الدائرة الكهربائية، حيث (eA ،eB ،eC ،ebus ،mA ،mB، mC ،mbus)، وهي قيم الإزاحة والتيارات المقاسة التي يمكن التعبير عنها في المعادلة التالية:

كذلك يمكن أن نرى من الشكل السابق أن أخطاء الإزاحة لمستشعرات الطور الحالية يتم إدخالها إلى وحدة التحكم من خلال دوائر أخذ العينات، وبعد ذلك يرسل عنصر التحكم إشارات التبديل التي تحتوي على معلومات غير دقيقة إلى العاكس، وأخيراً يقود العاكس المحرك بطريقة غير صحيحة، مما ينتج عنه تموجات عزم دوران ضارة جداً.

أيضاً تم الاستفادة الكاملة من العلاقات بين جميع المستشعرات الحالية لتقدير أخطاء تعويض مستشعر تيار الطور.، ووفقاً لطوبولوجيا العاكس؛ فإن حالة تبديل العاكس ذات صلة بالعلاقات بين هذه التيارات المقاسة، والتي تم توضيحها في الجدول التالي، كما ويمكن ملاحظة من خلال الجدول أن أخطاء الإزاحة في دوائر أخذ العينات الحالية يمكن استنتاجها بالتيارات المقاسة في نقاط أخذ عينات محددة مباشرة.

تقدير خطأ الإزاحة لجهاز استشعار التيار المستمر

يمكن التحقق من الجدول السابق، حيث أن إزاحة مستشعر التيار المستمر للناقل يساوي تيار ناقل التيار المستمر المقاس في حالات التبديل للمتجهات الصفرية (V000 ،V111)، وفي الشكل التالي (2) يتم توضيح الشكل الموجي التقليدي لتعديل عرض النبضة المتجهة (SVPWM) المكون من سبعة أجزاء في القسم الأول، بحيث تمثل (c1 ،c2 ،c3) ثلاثة مقارنات و (SA ،SB ،SC) هي حالة التشغيل لأذرع الجسر ثلاثية الطور.

كذلك يتم أخذ عينات من معلومات التغذية الراجعة الحالية للتحكم في الحلقة المغلقة، أي (mA ،mB ،mC) تكون في منتصف كل دورة (PWM) ومن الشكل (2)؛ فإنه يمكن ملاحظة أنه عند النقطة الوسيطة لكل فترة (PWM ،t7)، بحيث تكون حالات تبديل العاكس دائماً (S111)، لذلك من خلال أخذ عينات من القيمة الحالية لناقل التيار المستمر عند (t7)، بحيث يمكن تقدير خطأ الإزاحة لمستشعر تيار ناقل التيار المستمر من خلال،

حيث أن (mbus) هي القيمة المقاسة للتيار المستمر للناقل عند نقطة أخذ العينات (t7).

وبالنسبة إلى تقدير خطأ الإزاحة لأجهزة الاستشعار ثلاثية الطور؛ فإنه يمكن ملاحظة من الجدول السابق أن أخطاء الإزاحة لأجهزة الاستشعار الحالية ثلاثية الطور مرتبطة بقيم أخذ العينات الحالية لناقل التيار المستمر بناءً على ظروف تشغيل العاكس، وفي هذا الجزء يتم تحليل تقدير أخطاء الإزاحة لأجهزة الاستشعار الحالية ثلاثية الطور بالتفصيل.

وأخيراً في هذا الطرح، فقد تم اقتراح طريقة لتقدير خطأ مستشعر التيار القائم على الكشف الحالي لمحركات (PMSG)، والتي تحقق أفضل استخدام للعلاقات بين جميع معلومات المستشعرات المتاحة، وبالمقارنة مع التقنيات الحالية؛ لا تعتمد الاستراتيجية المقترحة على المراقبين أو المرشحات، مما يؤدي إلى تقليل العبء الحسابي.

أيضاً لا تعدل الاستراتيجية المقترحة طريقة توليد قدرة (PWM) ولا طرق التثبيت لأجهزة استشعار المرحلة الحالية، لذلك فإن الاستراتيجية المقترحة سهلة التنفيذ، فقد تم فحص الطريقة المقترحة من خلال تجربة على محرك قدرته (1) كيلو وات.