محركات عالية السرعةتحظى هذه المحركات باهتمام متزايد نظرًا لمزاياها الواضحة، مثل كثافة الطاقة العالية، وصغر الحجم والوزن، وكفاءة العمل العالية. ويُعد نظام القيادة الفعال والمستقر مفتاحًا للاستفادة الكاملة من الأداء الممتاز لهذه المحركات.محركات عالية السرعةتتناول هذه المقالة بشكل أساسي تحليل صعوباتمحرك عالي السرعةتتناول هذه الدراسة تكنولوجيا القيادة من جوانب استراتيجية التحكم، وتقدير الزوايا، وتصميم طوبولوجيا الطاقة، وتلخص نتائج الأبحاث الحالية محليًا ودوليًا. ثم تلخص وتستشرف اتجاهات تطويرها.محرك عالي السرعةتكنولوجيا القيادة.
الجزء الثاني: محتوى البحث
محركات عالية السرعةتتمتع المحركات عالية السرعة بالعديد من المزايا، مثل كثافة الطاقة العالية، وصغر الحجم والوزن، وكفاءة العمل العالية. وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل الطيران والفضاء، والدفاع الوطني والسلامة، والإنتاج، والحياة اليومية، وتُعدّ اليوم من أهم مجالات البحث والتطوير. في تطبيقات الأحمال عالية السرعة، مثل المغازل الكهربائية، والآلات التوربينية، والتوربينات الغازية الصغيرة، وتخزين الطاقة باستخدام دولاب الموازنة، يُمكن استخدام المحركات عالية السرعة لتحقيق بنية قيادة مباشرة، والاستغناء عن أجهزة تغيير السرعة، وتقليل الحجم والوزن وتكاليف الصيانة بشكل ملحوظ، مع تحسين الموثوقية بشكل كبير، ولها آفاق تطبيق واسعة للغاية.محركات عالية السرعةتشير هذه المقاييس عادةً إلى سرعات تتجاوز 10 كيلوجول/دقيقة أو قيم صعوبة (ناتج السرعة والجذر التربيعي للقدرة) تتجاوز 1 × 10⁵. يوضح الشكل 1 مقارنة البيانات ذات الصلة لبعض النماذج الأولية التمثيلية للمحركات عالية السرعة محليًا ودوليًا. يمثل الخط المتقطع في الشكل 1 مستوى الصعوبة 1 × 10⁵، وهكذا.
1-صعوبات في تكنولوجيا محركات السرعة العالية
1. مشاكل استقرار النظام عند الترددات الأساسية العالية
عندما يكون المحرك في حالة تردد أساسي تشغيلي عالي، وبسبب قيود مثل وقت التحويل من تناظري إلى رقمي، ووقت تنفيذ خوارزمية وحدة التحكم الرقمية، وتردد تبديل العاكس، يكون تردد الموجة الحاملة لنظام محرك السرعة العالية منخفضًا نسبيًا، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في أداء تشغيل المحرك.
2. مشكلة تقدير موضع الدوار بدقة عالية في التردد الأساسي
أثناء التشغيل بسرعات عالية، تُعد دقة موضع الدوار أمرًا بالغ الأهمية لأداء المحرك. ونظرًا لانخفاض موثوقية مستشعرات الموضع الميكانيكية، وكبر حجمها، وارتفاع تكلفتها، تُستخدم غالبًا خوارزميات بدون مستشعرات في أنظمة التحكم بالمحركات عالية السرعة. مع ذلك، في ظل ظروف تردد التشغيل الأساسي العالي، يكون استخدام خوارزميات بدون مستشعرات الموضع عرضةً لعوامل غير مثالية مثل اللاخطية في العاكس، والتوافقيات المكانية، ومرشحات الحلقة، وانحرافات معلمات الحث، مما يؤدي إلى أخطاء كبيرة في تقدير موضع الدوار.
3. كبح التموج في أنظمة محركات القيادة عالية السرعة
يؤدي انخفاض الحث الذاتي للمحركات عالية السرعة حتمًا إلى مشكلة تموج التيار الكبير. ويمكن أن يؤدي فقد النحاس والحديد الإضافي، وتموج عزم الدوران، وضوضاء الاهتزاز الناتجة عن تموج التيار العالي، إلى زيادة كبيرة في خسائر أنظمة المحركات عالية السرعة، مما يقلل من أداء المحرك، كما أن التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن ضوضاء الاهتزاز العالية يمكن أن يسرع من تلف وحدة التحكم. تؤثر المشكلات المذكورة أعلاه بشكل كبير على أداء أنظمة قيادة المحركات عالية السرعة، ويُعد التصميم الأمثل لدوائر الأجهزة منخفضة الفقد أمرًا بالغ الأهمية لهذه الأنظمة. باختصار، يتطلب تصميم نظام قيادة محرك عالي السرعة مراعاة شاملة لعوامل متعددة، بما في ذلك اقتران حلقة التيار، وتأخير النظام، وأخطاء المعلمات، والصعوبات التقنية مثل كبح تموج التيار. إنها عملية بالغة التعقيد تفرض متطلبات عالية على استراتيجيات التحكم، ودقة تقدير موضع الدوار، وتصميم طوبولوجيا الطاقة.
2- استراتيجية التحكم لنظام محرك عالي السرعة
1. نمذجة نظام التحكم في المحركات عالية السرعة
لا يمكن إغفال خصائص التردد الأساسي العالي ونسبة تردد الموجة الحاملة المنخفضة في أنظمة محركات السرعة العالية، بالإضافة إلى تأثير اقتران المحرك والتأخير على النظام. لذا، وبالنظر إلى هذين العاملين الرئيسيين، يُعدّ نمذجة وتحليل إعادة بناء أنظمة محركات السرعة العالية مفتاحًا أساسيًا لتحسين أداء هذه المحركات.
2. تقنية التحكم في فصل المحركات عالية السرعة
تُعدّ تقنية التحكم الموجه للمجال (FOC) التقنية الأكثر استخدامًا في أنظمة محركات القيادة عالية الأداء. ونظرًا لمشكلة التداخل الخطيرة الناتجة عن التردد الأساسي العالي للتشغيل، يتجه البحث حاليًا نحو استراتيجيات فصل التداخل. ويمكن تقسيم هذه الاستراتيجيات إلى ثلاثة أنواع رئيسية: استراتيجيات فصل التداخل القائمة على النموذج، واستراتيجيات فصل التداخل القائمة على تعويض الاضطرابات، واستراتيجيات فصل التداخل القائمة على منظم المتجهات المعقد. تشمل استراتيجيات فصل التداخل القائمة على النموذج بشكل أساسي فصل التداخل بالتغذية الأمامية وفصل التداخل بالتغذية الراجعة، إلا أن هذه الاستراتيجية حساسة لمعاملات المحرك، وقد تؤدي إلى عدم استقرار النظام في حالات الأخطاء الكبيرة في المعاملات، كما أنها لا تحقق فصلًا كاملًا للتداخل. ويُحدّ ضعف أداء فصل التداخل الديناميكي من نطاق تطبيقها. أما النوعان الأخيران من استراتيجيات فصل التداخل، فهما من أبرز مجالات البحث حاليًا.
3. تقنية تعويض التأخير لأنظمة المحركات عالية السرعة
تُسهم تقنية التحكم بفصل المكونات بفعالية في حل مشكلة اقتران أنظمة محركات السرعة العالية، إلا أن حلقة التأخير الناتجة عنها لا تزال قائمة، مما يستدعي الحاجة إلى تعويض فعال لتأخير النظام. يوجد حاليًا استراتيجيتان رئيسيتان للتعويض الفعال عن تأخير النظام: استراتيجيات التعويض القائمة على النموذج، واستراتيجيات التعويض المستقلة عن النموذج.
الجزء الثالث: خاتمة البحث
استنادًا إلى الإنجازات البحثية الحالية فيمحرك عالي السرعةبالنظر إلى تكنولوجيا المحركات في الأوساط الأكاديمية، وبالنظر إلى المشكلات القائمة، تشمل اتجاهات التطوير والبحث في المحركات عالية السرعة بشكل رئيسي ما يلي: 1) البحث في التنبؤ الدقيق بتيار التردد الأساسي العالي وقضايا تأخير التعويض النشط؛ 3) البحث في خوارزميات التحكم ذات الأداء الديناميكي العالي للمحركات عالية السرعة؛ 4) البحث في التقدير الدقيق لموضع الزاوية ونموذج تقدير موضع الدوار في نطاق السرعة الكاملة للمحركات فائقة السرعة؛ 5) البحث في تقنية التعويض الكامل للأخطاء في نماذج تقدير موضع المحرك عالي السرعة؛ 6) البحث في طوبولوجيا طاقة المحرك عالي السرعة ذات التردد العالي والفقد العالي.
تاريخ النشر: ٢٤ أكتوبر ٢٠٢٣
