تحسين الكفاءة للمحركات الكهربائية PMSM باستخدام دائرة التحكم

ضرورة تحسين الكفاءة للمحركات الكهربائية PMSM باستخدام دائرة التحكم

تعد أنظمة تشغيل الآلات الكهربائية نقطة أساسية لتطبيقات المركبات الكهربائية (EV) والمركبات الكهربائية الهجينة (HEV)، بحيث تم استخدام محرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM) كمحرك دفع في “المركبات الكهربائية” نظراً لتفوقها، مثل الكفاءة العالية وكثافة الطاقة العالية، لذلك يكون مطلوب تشغيل واسع السرعة في تطبيقات (EV / HEV)، وبالتالي يجب اعتماد التحكم في إضعاف التدفق (FW) لتوسيع حدود تشغيل (PMSM).

كما يمكن تحقيق التحكم في (FW) في (PMSM)، وذلك من خلال التحكم في تيارات المحرك باستخدام طرق التغذية على أساس حساب المعادلة وطرق تنظيم التغذية الراجعة والطرق المختلطة، كما تركز طرق (FW) في الدراسات السابقة بشكل أساسي على أداء التحكم، مثل الاستجابة الديناميكية وخصائص الحالة المستقرة، بينما لم يتم التحقيق في كفاءة النظام بالتفصيل.

وعادة لا تعتبر كفاءة النظام هدفا في عملية تصميم استراتيجية التحكم، ومع ذلك تعد الكفاءة مؤشراً مهماً لأنظمة الجر العملية للمركبات الكهربائية، لذلك؛ فإن تطوير طريقة تصميم دقيقة مع الأخذ في الاعتبار كفاءة نظام (PMSM) للمركبات الكهربائية يعد أمراً مهماً للغاية، بحيث يتم استخدام جدول البحث الأمثل (LUT) الذي تم الحصول عليه عن طريق الحساب في وضع عدم الاتصال في استراتيجية التحكم في الطاقة الشاملة لنظام اتفاقية طاقة الرياح على نطاق صغير.

كما أن هناك ثلاث طرق أساسية لتصميم نظام المحرك، بما في ذلك تحليل المجال المغناطيسي ومحاكاة الدائرة الكهربائية وطريقة اقتران الدائرة الميدانية، بحيث يمكن تحقيق نمذجة خوارزمية التحكم الدقيقة في محاكاة الدائرة، بينما يصعب تحليل خصائص المحرك المتأصلة بدقة، كذلك يمكن إجراء دراسة دقيقة لأداء المحرك من خلال تحليل المجال المغناطيسي، في حين أنه غير قادر على التحقيق في أداء النظام في ظل استراتيجيات تحكم مختلفة.

لذلك لا يمكن أن تضمن هاتان الطريقتان دقة التحليل لأنظمة المحرك بأكملها باستخدام مستقل، ومع ذلك؛ فإن الطريقة المقترنة بدائرة المجال تدمج كلاً من تحليل المجال الكهرومغناطيسي للمحرك وخوارزمية التحكم في نظام القيادة، لذلك لقد حظي التحليل المقترن بالدائرة الميدانية الذي تم تنفيذه بواسطة طريقة العناصر المحدودة (TS-FEM) باهتمام كبير للأنظمة الحركية.

كما تم اقتراح (FEM) ثنائية الأبعاد ثنائية الأبعاد (2-D) للتيار الدوامي لفحص أداء آلات الحث الدوارة المنحرفة، كذلك تم تقديم (TS-FEM) المقترن بدائرة المجال لمحاكاة الخصائص الكهرومغناطيسية لـ (PMSM) في عمليات البدء الذاتي والتحكم في الجهد أو التردد الكهربائي.

عملية إضعاف تدفق المجال المغناطيس

نظام (PMSM): يتكون نظام محرك (PMSM) بشكل أساسي من محول طاقة ودائرة محرك ودائرة لكشف الموضع ودائرة أخذ عينات التيار الكهربائي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، كما يعتبر (PMSM) مناسباً للغاية لتشغيل السرعة الموسعة في وضع (FW)، ونظراً لأن المغناطيسات الدائمة (PMs) مدفونة داخل حديد الدوار؛ فإنها محمية بشكل فعال من مجال تفاعل إزالة مغناطيسية المحرك أثناء عملية (FW)، بحيث يعمل التخلص من (PMs) على شكل (V) على زيادة تدفق فجوة الهواء.

حيث أن:

(ud ، uq ، id ، iq ، Ld ، Lq): هي مكونات (d و q) لمحور جهد المحرك والتيار والحث على التوالي.

(R ، Pn ، ψf ، p): هي مقاومة المحرك وعدد أزواج القطب ووصلة تدفق المغناطيس الدائم والمشغل التفاضلي على التوالي.

(Te ، ωe): هما عزم الدوران الكهرومغناطيسي والسرعة الزاوية الكهربائية.

وفي النظام، يتم تقييد تيار المحرك (Ia) والجهد الكهربائي (Ua) على النحو التالي:

كما يتم تحديد الحد الحالي (Iam) من خلال تصنيف تيار المحرك المستمر و تيار الإخراج المتاح للعاكس، كما يكون حد الجهد (Uam) هو الحد الأقصى لجهد الخرج المتاح اعتماداً على جهد رابط التيار المستمر، وذلك عند تطبيق استراتيجية (SVPWM)، بحيث يكون حد الجهد هو (Uam = Vdc / 3 – √).

طريقة (FW): ينقسم التحكم في (PMSM) إلى استراتيجية أقصى عزم دوران لكل أمبير (MTPA) في منطقة عزم الدوران الثابت واستراتيجية (FW) في منطقة القدرة الثابتة. ضمن نطاق السرعة الأساسي، بحيث يكون جهد ناقل التيار المستمر للعاكس كافياً لتعويض (EMF) الخلفي، لذلك يمكن تطبيق تحكم (MTPA) لضمان الحد الأدنى من فقدان النحاس وتوليد أقصى عزم دوران .

ومع ذلك، عندما تتجاوز سرعة المحرك السرعة الأساسية، بحيث لا يكون التحكم في (MTPA) مناسباً لهذه الحالة، ومن ثم فقد تم اعتماد استراتيجية التحكم في (FW) لتحقيق التشغيل المستمر للطاقة، وبشكل عام يتم تطبيق طرق التغذية الأمامية أو التغذية المرتدة على وحدة التحكم الحالية، كما تعتمد طرق(Feedforward) على النموذج الرياضي لـ(PMSM) وتستخدم معلمات المحرك والجهد الناقل للتيار المستمر لحساب ناقل تيار المحرك المرجعي.

وبشكل نموذجي، يمكن اشتقاق مراجع التيار (d – و q -) من قيود التيار الكهربائي والجهد في مناطق السرعة المختلفة، كما يمكن التعبير عن مبدأ التحكم في (MTPA) في منطقة عزم الدوران الثابت على النحو التالي:

وعادة ما يتم إهمال مقاومة المحرك في معادلة الجهد لتبسيط الحل التحليلي، بحيث يوضح الشكل (2-a) مخطط الكتلة لطريقة التغذية الأمامية النموذجية، وكذلك أقل من السرعة الأساسية وفوقها، كما يتم حساب المرجع الحالي للمحور (d) بواسطة المعادلات السابقة جميعها على التوالي، كما تعتبر طرق التغذية الأمامية حساسة لتغير معلمات المحرك وظروف التشغيل.

كما تعتمد طرق التغذية الراجعة بشكل عام على التحكم المباشر في جهد خرج العاكس من خلال وحدة تحكم تنظيم الحلقة المغلقة. يوضح الشكل (2 -b)، وهناك مخطط الكتلة لطريقة التغذية المرتدة النموذجية، بحيث يتم تنظيم معرف بواسطة معوض متناسب ومتكامل (PI)، والذي يتم تغذيته بواسطة الخطأ بين متجه الجهد المرجعي وحد الجهد الكهربائي.

وعند تطبيق استراتيجية (SVPWM)، كما يكون حد الجهد الكهربائي هو (ks⋅Vdc / 3 – )، حيث أن (ks <1) هو عامل أمان، ونظراً لأن متطلبات المحرك غير مطلوبة؛ فإن أداء التحكم يكون أكثر قوة لتغيرات معلمات المحرك، كما تعد طرق التغذية الفورية والتغذية المرتدة مفيدة للغاية، وذلك لأنها عامة لجميع (PMSMs)، ولكن بالنسبة لمحرك (PMSM) العملي المستخدم في نظام الجر للمركبات الكهربائية.

بحيث لا يمكن الحصول على أداء التحكم الأمثل بهذه الطرق، وذلك لأن تباين المعلمة واعتبارات الكفاءة غالباً ما يتم إهمالها في خوارزمية التحكم، وفي هذه الطرق، لا يمكن ضبط المتجه الحالي لإيجاد العملية الفعالة المثلى، إلى جانب ذلك؛ فإن مقدار حساب طريقة التغذية الأمامية كبير، كما وقد تواجه طريقة التغذية المرتدة للجهد مشاكل في استقرار النظام واستجابة السرعة التزامنية.

شاهد أيضاً

تحليل خطأ لف الجزء الثابت للمحركات الكهربائية

يتم التعرف على أعطال الدائرة القصيرة المتعرجة كواحدة من أكثر أوضاع فشل الماكينة الكهربائية شيوعاً، …