التحكم الترشيحي النشط القائم على SVPWM في محرك طاقة مروّج بمقلدين لعقدة ملف مفتوحة لتقليل التوافقيات

لماذا تهم المحركات الأنظف

تشغّل المحركات الكهربائية بهدوء خطوط المصانع والمضخات والمراوح وحتى بعض المركبات الكهربائية. للتحكم بكفاءتها في السرعة، تعتمد الصناعات على محركات إلكترونية تقوم بالتبديل السريع للطاقة. يوفر هذا التبديل توفيراً في الطاقة لكنه يجعل أيضاً أشكال الموجة الكهربائية المغذية للمحرك خشنة، مما يولد اهتزازات غير مرغوبة، وضوضاء، وتسخين إضافي. تستكشف الورقة العلمية وراء هذا المقال طريقة جديدة لتهذيب هذه "الحواف الخشنة" الكهربائية دون إضافة أجهزة كبيرة إضافية، مما يعد بأنظمة محرك أكثر سلاسة وطول عمر أفضل واستخدام أكثر فعالية للطاقة الكهربائية.

مشكلة الكهرباء الخشنة

تحول الإلكترونيات القوية الحديثة الكهرباء المستمرة إلى نبضات مقطوعة سريعة تُشكّل بعدها إلى موجات للمحرك. من الناحية المثالية ستكون هذه الموجات ناعمة تماماً، لكن في الواقع تكون مليئة بتجاوبات إضافية تُعرف بالتوافقيات. في نظام دفع صناعي تظهر هذه التوافقيات على شكل جهود وتيارات مشوهة. بالنسبة للمحرك، يعني ذلك عزماً متقطعاً، وإجهاداً ميكانيكياً إضافياً على الأعمدة والمحامل، وطنين مسموع، وطاقة مهدرَة على شكل حرارة. تشمل الحلول التقليدية مرشحات سلبية مصنوعة من ملفات ومكثفات، أو محولات متعددة المستويات أكثر تعقيداً، وكلاهما يضيفان تكلفة وحجماً وتعقيد تصميمي.

طريقة مختلفة لتوصيل المحرك

تركز الدراسة على ترتيب معين للمحرك يسمى ملف التحريض ذو النهايات المفتوحة. بدلاً من ربط الملفات الثلاثة للستاتور معاً عند نقطة محايدة مغلقة، تُخرج نهايا كل ملف للاتصال الخارجي. يتيح ذلك للمهندسين تغذية المحرك من محولين إلكترونيين منفصلين، واحد على كل جانب. عندما يكون كلاهما محولين ذات مستويين تقليديين، يختبر المحرك فعلياً جهد ثلاثي المستويات، محققاً جودة طاقة أفضل مقارنة بالدفع الأساسي. استخدمت الأعمال السابقة هذا الترتيب الثنائي للمشاركة في الطاقة وزيادة قدرة الجهد. تعيد الدراسة الجديدة تفكير دورَيْ المحولين، محولة أحدهما إلى جهاز نشط "للتنظيف".

دَع محولاً يعمل والآخر ينظف

في المخطط المقترح يقوم المحول الأول بمعظم توصيل الطاقة الحقيقية إلى المحرك، مستخدماً طريقة تبديل فعالة تسمى تعديل ناقل الفضاء (SVPWM) لتوليد الجهد الثلاثي الطور الرئيسي. أما المحول الثاني، فبدلاً من تغذية مصدره الخاص، فُصِل حول مكثف عائم وتُتحكم فيه كمرشح نشط تسلسلي بحت. الفكرة الأساسية هي قياس ما ينتجه المحول الأساسي فعلاً، فصل الجزء التوافقي الأساسي الناعم من ذلك الجهد، ومعاملة كل ما تبقى كتشويه غير مرغوب. ثم يُؤمر المحول الثانوي بإنتاج جهد يقلّد فقط مكوّن التشويه هذا، بطريقة تطرحه من أطراف المحرك. لأن المحرك "يرى" الفرق بين المحولين، يُلغى تشويه المحول الأول إلى حد كبير بواسطة الثاني، ما يترك جهد طور وتيار أنظف بكثير.

من المحاكاة إلى الاختبارات الواقعية

بنى المؤلفون نماذج حاسوبية مفصّلة لمحرك تحريض بقوة خمسة أحصنة يقوده ترتيب المحولين المزدوجين، وقارنوها مع محركات ثلاثية المستويات الشائعة، بما في ذلك تصميم مشدود نقطة المحايد المستخدم على نطاق واسع. ثم تحققوا من النتائج على منصة اختبار مخبرية مع محرك حقيقي ومحكّمين ماديين. عبر مجموعة واسعة من ظروف التشغيل، خفّضت الطريقة الجديدة مقدار التشويه الكلي في جهد طور المحرك باستمرار. على سبيل المثال، حيث أنتج نظام النهاية المفتوحة التقليدي مستويات تشويه تقارب 11–14 بالمئة، قلّص النهج المقترح ذلك تقريباً إلى النصف، إلى نحو 5–10 بالمئة حسب الإعدادات. كانت التوافقيات منخفضة ومتوسطة الرتبة، وهي المسؤولة أساساً عن تموج العزم والضوضاء، مكبوحة بشكل خاص.

ماذا يعني ذلك للآلات اليومية

لغير المتخصص، الرسالة الرئيسية هي أن المؤلفين وجدوا طريقة لجعل المحركات الصناعية القياسية تعمل بسلاسة أكبر دون إعادة تصميم المحرك أو إضافة أجهزة ترشيح ثقيلة. عبر إعادة استخدام ذكية لأحد المحولين الموجودين كمرشح يتكيف ذاتياً، يقلل المخطط خشونة الكهرباء من مصدرها. تعني الجهود الأنعَم تشغيلًا أكثر هدوءاً، واهتزازًا أقل، وتآكلًا ميكانيكياً أقل، بالإضافة إلى كفاءة محسنة وتقليل التسخين. في المصانع المجهزة بمحركات سرعة متغيرة، يمكن أن تترجم مثل هذه التحسينات إلى عمر أطول للمعدات وتكاليف تشغيل أدنى، وكل ذلك مع استخدام نفس المكونات الأساسية الموجودة بالفعل في أنظمة المحرك الحديثة.

الاستشهاد: Latha, S.N., Egeriose, S.K. & Gopinathan, S. SVPWM based active filtering control of dual inverter fed open-end winding induction motor drive for harmonic mitigation. Sci Rep 16, 14480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42127-5

الكلمات المفتاحية: محركات التحريض, تقليل التوافقيات, مرشحات الطاقة النشطة, محولات متعددة المستويات, كفاءة المحرك