التحليل الحراري للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم

الضرورة من التحليل الحراري للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم

أصبحت المحركات متعددة الأطوار نقطة ساخنة للبحث، وذلك نظراً لكثافة طاقتها العالية وموثوقيتها العالية وتحمل الأخطاء، والتي تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات خاصة مثل محرك السفن والطائرات متعددة الأغراض الكهربائية ومحركات التيار المتردد الحديثة الأخرى.

كما يمكن للمحركات متعددة الأطوار تقسيم الطاقة الكهربائية حتى إلى دبابيس المزيد من العاكسات لتقليل تيار التحويل لكل جهاز، علاوة على ذلك وعند فتح ملف أو مرحلتين؛ فإنه لا يتم تغيير وضع توصيل المحرك، كما ويمكن أن تستمر المراحل الصحية المتبقية في العمل.

لذلك تستخدم العمليات المقاومة للخطأ بشكل عام استراتيجيات التحكم المناسبة الحالية لتقليل آثار الأعطال على أداء المحرك، مثل تموج عزم الدوران والضوضاء والفقد الكهربائي، ومع ذلك وعندما يعمل المحرك في ظروف غير متكافئة تتسامح مع الخطأ؛ فقد يتسبب الحمل الزائد الحراري في أضرار جسيمة للمكونات الحساسة لدرجة الحرارة وخاصة نظام عزل اللفات.

كما ركزت دراسات الإجهاد الحراري السابقة عادةً على تشغيل المحركات الكهربائية في الوضع الصحي، وذلك دون النظر إلى حقيقة أن التحكم في تحمل الأخطاء يؤدي إلى زيادة حادة في درجة حرارة بعض ملفات الطور بما يتجاوز القيود الحرارية لنظام العزل.

لذلك، قد لا يتمكن المحرك المصمم في الوضع الصحي من تلبية وضع التشغيل الخاطئ، بحيث يلعب التحليل الحراري دوراً أكثر أهمية للمحركات المستخدمة في عمليات التحميل الزائد قصيرة المدى والعمليات التي تتحمل الأخطاء، مثل السيارات والفضاء.

آلية تحسين الأداء للمحركات وفقاً للتحليل الحراري

ومن أجل تحسين أداء الإخراج للمحركات متعددة الأطوار في تحمل الخطأ؛ فقد تم وصف نمذجة المحركات متعددة الأطوار وطرق التحكم في الهياكل المختلفة، كما وجدت استراتيجية التحكم الخاصة بالنسبة إلى (PMSM) المزدوج ثلاثي الطور الذي يعتمد على النموذج الرياضي ذي الترتيب المنخفض تحت حالة الخطأ، بحيث يتم تحليله ويتم دراسة التحكم المتوافق مع الخطأ في آلة الحث ذات الطور الخمسة عشر في حالة الخطأ غير المتماثل.

وعندما يتم فتح دائرة واحدة أو مرحلتين؛ فإنه يتم اعتماد طريقة التحكم في جسر (H)، كما ويتم تقسيم تيار طور الدائرة المفتوحة مباشرة إلى مراحل صحية لضمان عزم دوران خرج متساوي، ولا تأخذ طريقة التحليل هذه في الاعتبار عملية غير متناظرة للسعة الحالية للمراحل الصحية المتبقية في ظل التشغيل المتسامح مع الخطأ.

كما أن هناك أيضاً إعادة توصيل أسلاك لدبابيس الإخراج لمحرك قياسي ثلاثي الأطوار لتحسين أداء القيادة بحيث يتم تحليل الضغط الحراري للمحرك عندما يتم توصيل اللفات في مجموعات مختلفة، ولكن يجب تغييرها باستمرار على الأجهزة وفقاً لتركيبات مختلفة، وبالتالي فإن الطريقة المذكورة أعلاه لا تنطبق على مناسبة الموثوقية العالية.

وفي هذا الطرح؛ فإنه تم اقتراح طريقة التحكم المكونة من خمس أذرع من خمس مراحل لتحقيق تحكم متسامح مع الخطأ في خمسة عشر مرحلة من (PMSM)، وكل ذلك دون تغيير استراتيجية التحكم في (SVPWM) وإضافة أجهزة إضافية، مما يساعد على تحسين قابلية تشغيل نظام التحكم أثناء الخطأ والوصول الى عملية متوافقة.

وبالمقارنة مع استراتيجية التحكم في التخلفية ذات السعة المتساوية وخسارة الحد الأدنى للجزء الثابت؛ فإنه يتم تحليل الطور الحالي وسعة كل لف طور في ظل التشغيل العادي والتسامح مع الخطأ، بحيث تم تقديم نموذج الاقتران الحراري الكهرومغناطيسي المعتمد على (FEM)، وتم تحليل عوامل التأثير الرئيسية للسلوك الحراري الأقصى أثناء التشغيل العابر.

لذلك يتم إدخال توزيع الخسارة تحت دورة ظروف القيادة والتحكم والمعطيات الحرارية المكافئة للملفات في النموذج الحراري، بحيث يحدث الارتفاع الأقصى والأسرع في درجات الحرارة في لفات المحرك الثابت عندما يعمل المحرك في ظروف الحمل الزائد، كما ويُقترح نماذج حرارية مختلفة للممرات الحرارية العابرة قصيرة المدى.

وباختصار؛ فإنه تنقسم طرق التحليل الحراري بشكل أساسي إلى طرق عددية وطرق تحليلية، بحيث تتضمن الطرق العددية (2D / 3D FEM) وديناميكيات السوائل الحسابية (CFD)، والتي يمكن استخدامها في المناطق المعقدة بدقة عالية ولكن مقدار الحساب كبير.

وفي هذا الطرح؛ فإنه يتم استخدام الشبكة الحرارية للمعلمات المجمعة لتحليل الإجهاد الحراري لـ (PMSM) ذات الخمسة عشر طوراً في ظل التشغيل العادي وظروف تحمل الخطأ المختلفة، بحيث يتم تحليل درجة حرارة الحالة المستقرة للمحرك وارتفاع درجة الحرارة العابر مع مراعاة ظروف التشغيل للحصول على إجهاد حراري دقيق داخل المحرك في ظل أوضاع تحكم مختلفة.

نموذج التحكم في المرحلة الخامسة عشرة من (PMSM)

تم تصميم ملفات الجزء الثابت لخمس عشرة طور (PMSM)، وذلك كهيكل (3 * 5) طور والنقاط المحايدة لمجموعات اللفات الثلاث مستقلة عن بعضها البعض، كما ويظهر التوزيع المكاني لملفاتها في الشكل التالي.

لذلك؛ فإن فرق الطور المكاني بين اللفات المجاورة في كل مجموعة من اللفات خماسية الطور هي (2π / 5) زاوية كهربائية، ووفقاً لاختلاف الطور المكاني للمجموعات الثلاث من اللفات خماسية الطور، تنقسم لفات المحرك للمحرك إلى هياكل متناظرة وشبه متناظرة تماماً.

نموذج التحكم في التوافق مع الخطأ ذات الطور الخامس عشر لـ (PMSM)

تتبنى (PMSM) ذات الخمس عشرة مرحلة توزيع هيكل ذو الأبعاد المذكورة سابقاً والنقاط الثلاث المحايدة المستقلة ونموذج التحكم الذي يعتمد على محاور (dq) الثلاثة، لذلك؛ فإنه عندما تكون المرحلة الواحدة مفتوحة بشكل دائري، يتم تنفيذ التسامح مع الخطأ مباشرة في اللفات ذات الخمس مراحل للمرحلة المفتوحة المقابلة.

كما يتم تنفيذ استراتيجيات التحكم في (SVPWM) المتحملة للخطأ بشكل عام باستخدام مصفوفة تحويل معوضه ذات ترتيب منخفض، ومع ذلك تبقى مصفوفة التحويل الخاصة بذراع (SVPWM) المكون من ستة مراحل المكونة من ستة جسور والمقترح في هذه الورقة دون تغيير قبل وبعد التوافق مع الخطأ.

النموذج الحراري المقترح لمرحلة الخمسة عشر من (PMSM)

بغض النظر عما إذا كان المحرك يعمل في ظل ظروف صحية أو متسامحة مع الخطأ؛ فإن مصدر الحرارة الخاص به لا يزال يتكون أساساً من فقد النحاس وفقدان الحديد، بحيث ينتج فقدان النحاس بشكل أساسي عن مقاومة النحاس في ملفات الجزء الثابت.

كما يتكون معدل الخسارة الأساسية بشكل تلقائي من فقدان التباطؤ وفقدان التيار الدوامي في المغناطيس الدائم وصفائح الصلب من السليكون، والتي تنتج عن المجال المغناطيسي المتناوب الناتج عن المغناطيس الدائم الذي يتفاعل مع التيار المتردد في لفات الجزء الثابت.

وأخيراً؛ فإن هناك نموذج التحكم في القوة الموجهة المعتمد على محاور (dq) الثلاثة، والذي يدرك بشكل فعال تشغيل المحرك، وخاصةً عندما يتم تطبيق التحكم المتسامح مع الخطأ على الدائرة المفتوحة لملفات طور واحدة، وباستثناء تيار اللفات للدائرة المفتوحة هو صفر؛ فإن السعة والمرحلة للملفات الصحية الأخرى ذات الأربع مراحل تتغير الحالية والمرحلة الخامسة المقترحة ستة أطوار.

فيما بعد يزداد فقدان النحاس لملفات المحرك بشكل حاد، وعلى العكس من ذلك؛ فإنه يزداد فقدان الحديد للمحرك في الجزء الثابت والدوار بشكل طفيف، والسبب الرئيسي هو أن القوة الدافعة المغناطيسية الكلية للفجوة الهوائية قبل وبعد التوافق مع الخطأ ثابتة.