كيفية تصميم محرك مضخة مياه PMSM يتم التحكم فيه بواسطة FOC

1. فهم خصائص المحرك

• معلمات المحرك:

  • أولاً وقبل كل شيء، من الضروري فهم المعلمات المختلفة لمحرك PMSM المستخدم بوضوح، بما في ذلك القدرة المقدرة، والسرعة المقدرة، وعزم الدوران المقدر، ومقاومة الجزء الثابت، ومحاثة الجزء الثابت، وربط تدفق المغناطيس الدائم، وأزواج الأقطاب، وما إلى ذلك. هذه المعلمات حاسمة لتصميم نظام القيادة اللاحق واختيار خوارزميات التحكم.

  • على سبيل المثال، يمكن اختيار أجهزة الطاقة المناسبة بناءً على الطاقة المقدرة للمحرك وسرعته، ويمكن حساب التردد الكهربائي للمحرك بناءً على أزواج الأقطاب والسرعة المقدرة للمحرك، وذلك لاختيار شريحة تحكم وتردد قيادة مناسبين.

2. اختيار أجهزة الطاقة

• أنواع أنابيب التبديل:

  • عادةً ما يتم استخدام IGBT (ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة) أو MOSFET (ترانزستور تأثير المجال المعدني أكسيد شبه الموصل) كأنبوب التبديل الرئيسي. بالنسبة لتشغيل محركات PMSM لمضخات المياه الصغيرة والمتوسطة القدرة، فإن MOSFET أكثر شيوعًا بسبب سرعة التبديل العالية ومقاومة التشغيل المنخفضة؛ بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، قد يكون IGBT أكثر ملاءمة لأنه يمكنه تحمل الفولتية والتيارات الأعلى، ولكن سرعة التبديل أبطأ نسبيًا.

  • يجب اختيار أجهزة الطاقة وفقًا للجهد والتيار المقدرين للمحرك، ويجب مراعاة هامش معين. بشكل عام، يجب أن يكون الجهد المقدر لجهاز الطاقة المحدد 1.5 - 2 مرة الجهد المقدر للمحرك، ويجب أن يكون التيار المقدر 1.2 - 1.5 مرة التيار المقدر للمحرك.

• تصميم تبديد الحرارة:

  • سيتم توليد كمية كبيرة من الحرارة أثناء تشغيل أجهزة الطاقة، ويتطلب الأمر تصميمًا جيدًا لتبديد الحرارة. يمكن استخدام مشعات الحرارة أو التبريد بالهواء أو التبريد بالماء. بالنسبة لأنظمة القيادة ذات كثافة الطاقة العالية، قد يكون التبريد بالماء مطلوبًا لضمان عدم تجاوز درجة حرارة الوصلة لأجهزة الطاقة درجة حرارتها المقدرة، وتجنب تدهور الأداء أو حتى التلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

3. تصميم دائرة القيادة

• جهد القيادة والتيار:

  • تحتاج دائرة القيادة إلى توفير جهد وتيار كافيين لضمان التوصيل السريع والموثوق به وإيقاف تشغيل أجهزة الطاقة. بشكل عام، يتطلب IGBT جهد قيادة يبلغ حوالي 15 فولت - 20 فولت، وقد يتطلب MOSFET جهد قيادة يبلغ 5 فولت - 15 فولت حسب الطرز المختلفة.

  • يجب أن تكون دائرة القيادة قادرة على توفير تيار ذروة كبير بما يكفي لضمان تشغيل أو إيقاف تشغيل أجهزة الطاقة بالكامل في وقت قصير لتقليل خسائر التبديل.

• عزل:

  • لضمان العزل الكهربائي بين دائرة التحكم ودائرة الطاقة ومنع التداخل وضمان السلامة، تحتاج دائرة القيادة عادةً إلى اعتماد تقنيات العزل، مثل عزل المقرن الضوئي أو العزل المغناطيسي. دائرة عزل المقرن الضوئي بسيطة، ولكن هناك تأخيرات في الإرسال وحدود النطاق الترددي؛ يمكن للعزل المغناطيسي (مثل عزل المحول) تحقيق سرعة إرسال واستجابة تردد أعلى، ولكن التكلفة قد تكون أعلى.

4. استراتيجية التحكم

• التحكم الموجه نحو الحقل (FOC):

  • FOC هي واحدة من أكثر استراتيجيات التحكم شيوعًا في محركات PMSM. إنها تحلل تيار الجزء الثابت إلى مكون تيار عزم الدوران ومكون تيار المجال، وتحقق التحكم الدقيق في المحرك من خلال التحكم في هذين المكونين. في FOC، تُستخدم تحويلات الدوران (مثل تحويل كلارك وتحويل بارك) لتحويل التيار في نظام الإحداثيات الثابتة ثلاثي الطور إلى التيار في نظام الإحداثيات الدوارة للتحكم المريح.

  • يجب تنفيذ تحويل الإحداثيات بدقة وفقًا لمعلمات المحرك، ويجب التحكم في تيار عزم الدوران وتيار المجال بواسطة وحدات تحكم PI من خلال التحكم في الحلقة المغلقة لتحقيق التحكم الدقيق في السرعة وعزم الدوران.

  • على سبيل المثال، في منطقة عزم الدوران الثابت، يمكن التحكم بدقة في خرج عزم الدوران للمحرك عن طريق ضبط مكون تيار عزم الدوران؛ في المنطقة المغناطيسية الضعيفة، يمكن تحقيق التشغيل عالي السرعة للمحرك عن طريق ضبط مكون تيار المجال.

• التحكم بدون مستشعر:

  • بالنسبة لبعض سيناريوهات التطبيق، من أجل تقليل التكاليف وتحسين موثوقية النظام، يمكن استخدام تقنيات التحكم بدون مستشعرات. تشمل طرق التحكم بدون مستشعرات الشائعة طريقة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية، وطريقة مراقب الوضع المنزلق، وطريقة التكيف مع مرجع النموذج، وما إلى ذلك.

  • تعتمد طريقة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية على العلاقة بين القوة الدافعة الكهربائية الخلفية للمحرك والسرعة، ولكن القوة الدافعة الكهربائية الخلفية ضعيفة عند السرعات المنخفضة، مما يؤثر على دقة القياس؛ تقوم طريقة مراقب وضع الانزلاق ببناء مراقب حالة للمحرك لتقدير موضع الدوار وسرعته، ولديه قدر معين من المتانة لتغييرات المعلمات، ولكنه قد يسبب اهتزاز النظام؛ تقدر طريقة التكيف المرجعي للنموذج موضع الدوار وسرعته من خلال خوارزمية تكيفية تعتمد على النموذج الرياضي للمحرك، والخوارزمية معقدة نسبيًا، ولكنها تتمتع بأداء جيد عند السرعات المتوسطة والمنخفضة.

5. وظائف الحماية

• حماية من التيار الزائد:

  • يجب ضبط دائرة حماية من التيار الزائد في دائرة المحرك. عندما يتجاوز التيار المكتشف الحد المحدد، يجب إيقاف تشغيل جهاز الطاقة في الوقت المناسب لمنع تلف المحرك وأجهزة الطاقة بسبب التيار الزائد. يمكن استخدام مستشعرات تيار هول أو المقاومات التحويلية للكشف عن التيار، ويمكن تحقيق وظيفة حماية التيار الزائد من خلال المقارنات والدوائر المنطقية.

  • على سبيل المثال، عندما يتجاوز التيار 1.5 - 2 مرة التيار المقدر، يجب تشغيل آلية الحماية على الفور، وإيقاف تشغيل إشارة القيادة، وإصدار إشارة إنذار.

• حماية من الجهد الزائد:

  • يتضمن ذلك حماية الجهد الزائد لمصدر الطاقة والجهد الزائد للقوة الدافعة الكهربائية الخلفية للمحرك. بالنسبة للجهد الزائد لمصدر الطاقة، يمكن استخدام مقارن الجهد لمراقبة جهد الدخل؛ بالنسبة للجهد الزائد للقوة الدافعة الكهربائية الخلفية للمحرك، يمكن الحكم عليه من خلال مراقبة جهد ناقل التيار المستمر وجهد طور المحرك.

  • عندما يتباطأ المحرك أو يفرمل بسرعة، قد يتم توليد قوة دافعة كهربائية خلفية مفرطة، ويجب اتخاذ تدابير الحماية المقابلة في هذا الوقت، مثل استخدام دوائر التثبيت النشطة أو السلبية للحد من القوة الدافعة الكهربائية الخلفية ضمن نطاق آمن.

• حماية من انخفاض الجهد:

  • عندما يكون جهد مصدر الطاقة منخفضًا جدًا، فقد لا يتم ضمان التشغيل العادي لنظام القيادة، مما يؤثر على أداء المحرك وحتى يتسبب في فقدان المحرك للخطوات. لذلك، يجب ضبط حماية الجهد المنخفض. عندما يكون جهد مصدر الطاقة أقل من قيمة الحد الأدنى المحددة، يجب إيقاف المحرك وإصدار إنذار.

6. تصميم التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)

• دوائر التصفية:

  • يجب إضافة المرشحات المناسبة في طرفي الإدخال والإخراج، مثل استخدام مرشحات الوضع المشترك والوضع التفاضلي في نهاية مصدر الطاقة للإدخال لقمع التداخل الناتج عن مصدر الطاقة وقمع تداخل نظام القيادة على شبكة الطاقة؛ إضافة محاثات ومكثفات المرشح في نهاية الإخراج لقمع التوافقيات عالية التردد الناتجة عن تقطيع PWM وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي للمحرك.

  • يمكن استخدام مرشحات LC أو LCL، ويجب اختيار معلمات المحث والمكثف المناسبة وفقًا للقوة المقدرة للمحرك وتردد القيادة.

• الحماية والأسلاك:

  • يجب حماية لوحة دائرة القيادة، ويجب وضع جزء الطاقة وجزء التحكم بشكل منفصل لتقليل تأثير التداخل الكهرومغناطيسي على دائرة التحكم.

  • عند التوصيل، يجب الانتباه إلى إبقاء حلقة التيار صغيرة قدر الإمكان، وتجنب تقاطع حلقات التيار العالي وحلقات الإشارة، واستخدام الأسلاك المحمية للإشارات عالية التردد والموصلات ذات التيار العالي لتقليل الإشعاع الكهرومغناطيسي والاقتران.

عند تصميم محرك PMSM لمضخات المياه، من الضروري مراعاة الجوانب المذكورة أعلاه بشكل شامل، وتحسين تصميم كل رابط وفقًا لسيناريوهات التطبيق المحددة ومتطلبات الأداء لتحقيق نظام محرك عالي الأداء وعالي الموثوقية وفعال من حيث التكلفة.