محركات عالية السرعةتحظى باهتمام متزايد نظرًا لمزاياها الواضحة، مثل كثافة الطاقة العالية، وصغر الحجم والوزن، وكفاءة العمل العالية. يُعد نظام القيادة الفعال والمستقر مفتاحًا للاستفادة الكاملة من الأداء الممتاز لـمحركات عالية السرعة. تحلل هذه المقالة بشكل أساسي الصعوبات التي تواجهمحرك عالي السرعةيُقدم هذا الكتاب تحليلاً شاملاً لتكنولوجيا القيادة من جوانب استراتيجية التحكم، وتقدير الزوايا، وتصميم طوبولوجيا الطاقة، ويلخص نتائج الأبحاث الحالية محلياً ودولياً. ثم يُلخص ويتوقع اتجاهات تطويرها.محرك عالي السرعةتكنولوجيا القيادة.
الجزء 02 محتوى البحث
محركات عالية السرعةتتميز المحركات عالية السرعة بمزايا عديدة، مثل كثافة الطاقة العالية، وصغر الحجم والوزن، وكفاءة العمل العالية. تُستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل الفضاء، والدفاع الوطني والسلامة، والإنتاج، والحياة اليومية، وتُعدّ اليوم محورًا أساسيًا للبحث والتطوير. في تطبيقات الأحمال عالية السرعة، مثل المغازل الكهربائية، والآلات التوربينية، والتوربينات الغازية الدقيقة، وتخزين طاقة دولاب الموازنة، يُمكن استخدام المحركات عالية السرعة لتحقيق هيكل دفع مباشر، والتخلص من أجهزة السرعة المتغيرة، وتقليل الحجم والوزن وتكاليف الصيانة بشكل كبير، مع تحسين الموثوقية بشكل كبير، ولها آفاق تطبيقية واسعة للغاية.محركات عالية السرعةعادةً ما تشير إلى سرعات تتجاوز 10 كرونة/دقيقة أو قيم صعوبة (حاصل ضرب السرعة في الجذر التربيعي للقوة) تتجاوز 1 × 105. يظهر الشكل 1، الذي يقارن البيانات ذات الصلة ببعض النماذج الأولية التمثيلية للمحركات عالية السرعة محليًا ودوليًا. الخط المتقطع في الشكل 1 يمثل 1 × 105 مستوى الصعوبة، وهكذا.
1.الصعوبات في تكنولوجيا محرك السرعة العالية
1. مشاكل استقرار النظام عند الترددات الأساسية العالية
عندما يكون المحرك في حالة تردد أساسي تشغيلي عالية، بسبب القيود مثل وقت التحويل من التناظرية إلى الرقمية، ووقت تنفيذ خوارزمية وحدة التحكم الرقمية، وتردد تبديل العاكس، يكون تردد الناقل لنظام محرك المحرك عالي السرعة منخفضًا نسبيًا، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في أداء تشغيل المحرك.
2. مشكلة تقدير موضع الدوار عالي الدقة في التردد الأساسي
أثناء التشغيل بسرعات عالية، تُعدّ دقة موضع الدوار أمرًا بالغ الأهمية للأداء التشغيلي للمحرك. ونظرًا لانخفاض موثوقية مستشعرات الموضع الميكانيكية وحجمها الكبير وتكلفتها المرتفعة، تُستخدم غالبًا خوارزميات بدون مستشعرات في أنظمة التحكم في المحركات عالية السرعة. ومع ذلك، في ظل ظروف التشغيل عالية التردد، يكون استخدام خوارزميات بدون مستشعرات الموضع عرضة لعوامل غير مثالية، مثل عدم خطية العاكس، والتوافقيات المكانية، ومرشحات الحلقة، وانحرافات معاملات المحاثة، مما يؤدي إلى أخطاء كبيرة في تقدير موضع الدوار.
3. قمع التموج في أنظمة تشغيل المحركات عالية السرعة
يؤدي انخفاض المحاثة في المحركات عالية السرعة حتمًا إلى مشكلة تموج التيار الكبير. يمكن أن يؤدي فقدان النحاس والحديد الإضافي وتموج عزم الدوران وضوضاء الاهتزاز الناتجة عن تموج التيار العالي إلى زيادة خسائر أنظمة المحركات عالية السرعة بشكل كبير، مما يقلل من أداء المحرك، ويمكن أن يؤدي التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن ضوضاء الاهتزاز العالية إلى تسريع شيخوخة المحرك. تؤثر المشكلات المذكورة أعلاه بشكل كبير على أداء أنظمة تشغيل المحركات عالية السرعة، ويُعد التصميم الأمثل لدوائر الأجهزة منخفضة الفقد أمرًا بالغ الأهمية لأنظمة تشغيل المحركات عالية السرعة. باختصار، يتطلب تصميم نظام تشغيل محرك عالي السرعة دراسة شاملة لعوامل متعددة، بما في ذلك اقتران حلقة التيار، وتأخير النظام، وأخطاء المعاملات، والصعوبات التقنية مثل قمع تموج التيار. إنها عملية معقدة للغاية تفرض متطلبات عالية على استراتيجيات التحكم، ودقة تقدير موضع الدوار، وتصميم طوبولوجيا الطاقة.
2. استراتيجية التحكم لنظام محرك السرعة العالية
1. نمذجة نظام التحكم في المحركات عالية السرعة
لا يُمكن تجاهل خصائص التردد الأساسي التشغيلي العالي ونسبة التردد الحامل المنخفضة في أنظمة تشغيل المحركات عالية السرعة، بالإضافة إلى تأثير اقتران المحرك والتأخير على النظام. لذلك، وبالنظر إلى هذين العاملين الرئيسيين، تُعدّ نمذجة وتحليل إعادة بناء أنظمة تشغيل المحركات عالية السرعة مفتاحًا لتحسين أداء تشغيلها.
2. تقنية التحكم في فصل المحركات عالية السرعة
يُعد التحكم في FOC التقنية الأكثر استخدامًا في أنظمة تشغيل المحركات عالية الأداء. واستجابةً لمشكلة الاقتران الخطيرة الناتجة عن الترددات الأساسية التشغيلية العالية، فإن الاتجاه البحثي الرئيسي حاليًا هو استراتيجيات التحكم في الفصل. يمكن تقسيم استراتيجيات التحكم في الفصل المدروسة حاليًا بشكل رئيسي إلى استراتيجيات تحكم في الفصل تعتمد على النموذج، واستراتيجيات تحكم في الفصل تعتمد على تعويض الاضطراب، واستراتيجيات تحكم في الفصل تعتمد على منظم متجه معقد. تتضمن استراتيجيات التحكم في الفصل القائمة على النموذج بشكل رئيسي الفصل الأمامي وفصل التغذية الراجعة، إلا أن هذه الاستراتيجية حساسة لمعلمات المحرك، وقد تؤدي إلى عدم استقرار النظام في حالات وجود أخطاء كبيرة في المعلمات، ولا يمكنها تحقيق الفصل الكامل. يحد ضعف أداء الفصل الديناميكي من نطاق تطبيقه. وتُعد استراتيجيتا التحكم في الفصل الأخيرتان من أهم مجالات البحث حاليًا.
3. تقنية تعويض التأخير لأنظمة المحركات عالية السرعة
يمكن لتقنية التحكم بفك الارتباط أن تحل بفعالية مشكلة اقتران أنظمة تشغيل المحركات عالية السرعة، إلا أن رابط التأخير الناتج عن التأخير لا يزال قائمًا، مما يتطلب تعويضًا فعالًا لتأخير النظام. حاليًا، توجد استراتيجيتان رئيسيتان للتعويض الفعال لتأخير النظام: استراتيجيات التعويض القائمة على النموذج واستراتيجيات التعويض المستقلة عن النموذج.
الجزء 03 استنتاجات البحث
استنادا إلى إنجازات الأبحاث الحالية فيمحرك عالي السرعةمع تطور تكنولوجيا القيادة في المجتمع الأكاديمي، إلى جانب المشاكل الموجودة، تشمل اتجاهات التطوير والبحث للمحركات عالية السرعة بشكل أساسي: 1) البحث في التنبؤ الدقيق بقضايا التيار عالي التردد الأساسي وتأخير التعويض النشط؛ 3) البحث في خوارزميات التحكم في الأداء الديناميكي العالي للمحركات عالية السرعة؛ 4) البحث في التقدير الدقيق لموضع الزاوية ونموذج تقدير موضع الدوار في نطاق السرعة الكاملة للمحركات عالية السرعة للغاية؛ 5) البحث في تكنولوجيا التعويض الكامل للأخطاء في نماذج تقدير موضع المحرك عالي السرعة؛ 6) البحث في طوبولوجيا التردد العالي والخسارة العالية لقوة المحرك عالية السرعة.
وقت النشر: ٢٤ أكتوبر ٢٠٢٣
