التحكم في مولد التردد الكهربائي بتبديل المغناطيس الدائم

يهدف إلى مشاكل الكفاءة المنخفضة للمولد الكهرومغناطيسي وصعوبة تنظيم شدة المجال المغناطيسي لمولد المغناطيس الدائم، كما يُقترح مولد ممانعة بتبديل مغناطيسي دائم متتالي جديد (CPMSRG) لتطبيق السيارات، بحيث يتميز المولد بمزايا الهيكل البسيط وسرعة توليد الطاقة الفعالة الواسعة والإثارة القابلة للتعديل والكفاءة العالية وانخفاض مخاطر إزالة المغناطيسية.

أهمية التحكم في مولد التردد الكهربائي بتبديل المغناطيس الدائم

يمكن تصنيف المولدات الكهربائية المستخدمة في السيارة على أنها مولدات إثارة كهربائية ومولدات مغناطيسية دائمة (PM) وفقاً لأنماط الإثارة المختلفة، بحيث تُستخدم مولدات الإثارة الكهربائية على نطاق واسع في صناعة السيارات نظراً لتكلفة التصنيع المنخفضة وتعديل المجال المغناطيسي المريح، ومع ذلك؛ فإن قدرتها المتولدة المنخفضة وفقدان الإثارة الكبير يؤديان إلى كفاءة منخفضة وضوضاء كهرومغناطيسية كبيرة بسرعة متوسطة ومنخفضة.

وبالمقارنة مع مولد الإثارة الكهربائية؛ تتميز مولدات (PM) بموثوقية عالية وكفاءة إثارة.، ومع ذلك ونظراً للخصائص المتأصلة في (PM)؛ فإنه يصعب تنظيم المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية، كما وتتغير سرعة وحمل المولد في أي وقت، مما يجعل الفولتية الناتجة للمولد صعبة الاستقرار، وبالنظر إلى أوجه القصور في مولدات الإثارة الكهربائية ومولدات الجسيمات؛ فقد تم اقتراح مولدات الإثارة الهجينة (HE)، والتي تجمع بين مزايا مولدات الإثارة الكهربائية ومولدات الجسيمات.

التنسيق الأمثل للآلات الكهربائية ذات ملفات الاثارة

يتمثل المبدأ الأساسي لآلة (HE) في إضافة ملف إثارة في الجزء الثابت أو الدوار لآلة (PM) التقليدية وضبط المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية عن طريق تغيير التيار في ملف الإثارة، وعندما لا يكون هناك تيار في ملف الإثارة لآلة (HE)؛ يكون مبدأ تشغيل الآلة هو نفسه مبدأ تشغيل آلة (PM)، كما وتوفر مادة (PM) فقط الإثارة، وعندما يتم تطبيق التيارات على ملف الإثارة؛ فإنه يعمل المجال المغناطيسي لـ (PM) والمجال المغناطيسي للإثارة الكهربية على الجهاز معاً، كذلك مادة (PM) في آلة (HE) هي مصدر الإثارة الرئيسي.

أيضاً تلعب الإثارة الكهربائية دور تنظيم المجال المغناطيسي فقط للحفاظ على استقرار خرج الآلة، بحيث يمكن لطريقة مطابقة الإثارة هذه ضبط المجال المغناطيسي للآلة بسلاسة، كما تم تطوير العديد من أنواع آلات (HE)، لكن معظم آلات (HE) بها بعض أوجه القصور، على سبيل المثال الدائرة المغناطيسية (PM) والدائرة المغناطيسية للإثارة الكهربائية لبعض آلات (HE) متسلسلة، مما سيؤدي إلى مشاكل مثل فقدان الإثارة الكبير وتقليل الكفاءة.

النموذج المقترح للمولد الكهربائي الخاص بتبديل المغناطيس الدائم

يتكون (CPMSRG) المقترح في هذا البحث من مولد ممانعة بتبديل (SRG) ومولد (PM)، أي مولد متزامن (PM) أو مولد تيار مستمر بدون فرش (PMG)، وبالمقارنة مع المولدات الأخرى؛ تتمتع (SRG) بمزايا الهيكل البسيط والتكلفة المنخفضة والموثوقية العالية، حيث إن الجزء المتحرك والجزء الثابت في (SRG) مصنوعان فقط من صفائح فولاذية من السليكون الرقائقي، لذلك يمكن أن يعمل في بيئة قاسية مثل السرعة العالية ودرجة الحرارة العالية والاهتزاز القوي.

وبالنسبة الى كفاءة توليد الطاقة من (SRG) واحد بسرعة منخفضة ليست عالية، ومع زيادة السرعة؛ ستزداد كفاءة توليد الطاقة، كما ويمكن التحكم في الإثارة والجهد الناتج، بحيث يواجه (PMG) الفردي مشاكل التنظيم الصعب للمجال المغناطيسي للفجوة الهوائية والتحكم المعقد في تثبيت الجهد الكهربائي في نطاق سرعة واسع.

أما في نظام (CPMSRG) المقترح؛ فإنه يتم توفير جهد مصدر طاقة الإثارة لـ (SRG) بواسطة (PMG)، والتي يمكنها تحقيق توليد طاقة بدون بطارية، كما يتم توفير جهد الخرج في حالة توليد الطاقة بواسطة (PMG ،SRG معاً ونطاق سرعة توليد الطاقة الفعال واسع، حيث إن (PMG ،SRG) في المولد المتتالي عبارة عن سلسلة متحدة المحور والدوائر المغناطيسية مفصولة تماماً، ولا يوجد خطر إزالة المغناطيسية بسبب تيار الإثارة الكبير.

كذلك يعتمد نظام توليد الطاقة على هيكل مزدوج للآلة والكفاءة الكلية للنظام أعلى من تلك الخاصة بمولد الإثارة الكهربائية وعملية التصنيع أبسط من تلك الخاصة بمولد (HE)، ومن خلال ضبط المجال المغناطيسي للإثارة لـ (SRG)؛ فإنه يمكن تنظيم جهد خرج المولد بدون دائرة تثبيت جهد إضافية، مما يبسط دائرة الأجهزة في نظام توليد الطاقة.

هيكل نظام توليد الطاقة الكهربائية الخاص بـ CPMSRG

• هيكل التركيب الأساسي: يتكون (CPMSRG) من (PMG) و (SRG) في سلسلة متحدة المحور، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، حيث إن (PMG) عبارة عن مولد متزامن (PMG) تقليدي أو مولد (DC) بدون فرش، كذلك (SRG) هو أيضاً هيكل تقليدي.

ونظراً لأن نظام توليد الطاقة المصمم لبطاريات 36 فولت والأحمال في السيارة؛ فإن الجهد المقدر للمولد هو (42) فولت (الجهد 42 فولت هو جهد شحن البطاريات)، بالإضافة إلى ذلك ومع الأخذ في الاعتبار تموج جهد الخرج وضوضاء الآلة في نظام توليد الطاقة؛ فإنه تم اختيار الهيكل التقليدي ثلاثي الأطوار (12/8) لـ (SRG) في هذا الطرح.

كما يظهر هيكل نظام توليد الطاقة (CPMSRG) في الشكل التالي (2)، والذي يتكون بشكل أساسي من المولد المتتالي المقترح ومحول الطاقة ودوائر القيادة وأجهزة الاستشعار الحالية وكذلك أجهزة استشعار الجهد الكهربائي بالإضافة الى البطاريات والأحمال ووحدة التحكم، كذلك تم اختيار (TMS320F28335 DSP) الخاص بشركة (TI) كوحدة تحكم للمولد الكهربائي والتي تُستخدم لحساب الفولتية وتيارات لف الطور والجهد الناتج عن توليد الجهد التي تم جمعها بواسطة مستشعرات الجهد.

أيضاً يتم تضخيم إشارات التحكم بواسطة دوائر القيادة للتحكم المباشر في مفاتيح الطاقة، وذلك لتحقيق التحكم في نظام توليد الطاقة، ومن أجل تسهيل اختبارات مقارنة النموذج الأولي وتحسين معلمات التحكم؛ فإنه يتم اختيار (SRG) مستقل و (PMG) للتجارب، والتي يتم توصيلها في سلسلة متحدة المحور.، وفي المرحلة اللاحقة؛ فإنه يمكن معالجة المولدين في هيكل مدمج واحد عن طريق إزالة أداة التوصيل، بحيث يتم استخدام المحرك الرئيسي لمحاكاة محرك السيارة لدفع المولد المتتالي للدوران.

• هيكل محول الطاقة الكهربائية: يظهر هيكل محول الطاقة للمولد المتتالي في الشكل التالي (3)، بحيث يمكن تصحيح طاقة التيار المتردد ثلاثية الطور التي تم إنشاؤها بواسطة وحدة (PMG)، وذلك بواسطة مقوم ثلاثي الأطوار لا يمكن التحكم فيه. يعتمد محول الطاقة (SRG) على هيكل نصف جسر غير متماثل متحمس بشكل منفصل.

كذلك يتميز (SRG) بهيكل بارز مزدوج، كما أن الفولتية والتيارات الكهربائية الناتجة عن إنتاجه تنبض، وذلك من أجل تقليل تموج جهد الخرج وضمان الشحن المستقر للبطارية وإمدادات الطاقة العادية للأحمال، بحيث يتم تحديد دائرة مرشح (LC) في هذا النظام الكهربائي.

وأخيراً قدم هذا البحث الهيكل والمبدأ الأساسي لمقترح (CPMSRG)، وذلك لتطبيق المولد الخاص بالسيارات، إلى جانب خصائص تشغيل المولد؛ فإنه يُقترح طوبولوجيا محول الطاقة لنظام توليد الطاقة (CPMSRG)، ووفقاً لخصائص التشغيل لمولد السيارات؛ فإنه ينقسم نطاق سرعة تشغيل (CPMSRG) إلى سرعة منخفضة وسرعة عادية وسرعة عالية.