THD و ITHD في تصميم محرك PMSM و BLDC

1. التشويه التوافقي الكلي (THD)

• التعريف: التشوه التوافقي الكلي (THD) هو نسبة مجموع قوى (أو قيم RMS) جميع المكونات التوافقية إلى قوة (أو قيمة RMS) المكون الترددي الأساسي في الإشارة. ويُعبر عنه عادةً كنسبة مئوية (%).

• النطاق: التشويه التوافقي الكلي (THD) مصطلح عام، ويمكن أن يشير إلى التشوه في شكل موجة الجهد (THDv) أو شكل موجة التيار (THDi). ما لم يُحدد، فإن السياق عادةً ما يُحدد أيهما المقصود.

  • بالنسبة لمكبرات الصوت أو مخرجات مصادر الطاقة/العاكسات، يشير مصطلح "THD" عادةً إلى التشوه الجهدي (THDv) لإشارة الخرج.

• الأهمية: تشير قيمة THD المنخفضة إلى أن شكل الموجة أقرب إلى موجة جيبية نقية، مما يعني تشويهًا أقل.

  • معدات الصوت: يعد انخفاض THD (الجهد) أمرًا بالغ الأهمية لإعادة إنتاج الصوت بدقة عالية، مما يعني أن الصوت الناتج قريب جدًا من التسجيل الأصلي دون إضافة نغمات غير مرغوب فيها.

  • مزودات الطاقة/العاكسات: يشير انخفاض THD (الجهد) في خرج التيار المتردد إلى جودة طاقة أفضل، مما يقلل من احتمالية التسبب في مشكلات للأجهزة المتصلة.

​

2. التشوه التوافقي الكلي للتيار (ITHD)

• التعريف: يُشير ITHD تحديدًا إلى التشوه التوافقي الكلي لموجة التيار. يقيس نسبة القيمة التربيعية المتوسطة لجميع التيارات التوافقية إلى القيمة التربيعية المتوسطة للتيار الأساسي، معبرًا عنها كنسبة مئوية. يُكتب عادةً THDi أو THD-I.

• النطاق: يقيس التشوه الموجود في التيار الذي يسحبه جهاز إلكتروني من مصدر الطاقة (على سبيل المثال، شبكة الطاقة الرئيسية) أو يتم حقنه في الشبكة.

• الأهمية: تعتبر تقنية ITHD مهمة للغاية لتقييم تأثير الأجهزة الإلكترونية، وخاصة الأحمال غير الخطية، على جودة الطاقة.

  • الأحمال غير الخطية (مثل مُغذيات الطاقة التبديلية (SMPS) في أجهزة الكمبيوتر والشواحن، والمقومات، ومحركات التردد المتغير (VFDs)، ومشغلات LED، ومُخفتات الإضاءة) تسحب تيارًا غير جيبي، حتى لو كان جهد التغذية موجة جيبية مثالية. يحتوي هذا التيار المشوه على توافقيات كبيرة.

  • عواقب ارتفاع ضغط الدم الشرياني الرئوي:

    • تتدفق التيارات التوافقية مرة أخرى إلى شبكة الطاقة، مما قد يؤدي إلى تشويه جهد الشبكة نفسها، مما يؤثر على المستخدمين الآخرين.

    • زيادة التسخين والخسائر في الأسلاك والمحولات والموصلات المحايدة.

    • التداخل المحتمل مع أنظمة الاتصالات.

    • انخفاض معامل القدرة الإجمالي.

    • من المحتمل حدوث إزعاج بسبب انقطاع قواطع الدائرة.

• المعايير: غالبًا ما تفرض الهيئات التنظيمية والمعايير (مثل IEEE 519) حدودًا على كمية التيار التوافقي (وبالتالي ITHD) التي يُسمح للمعدات بحقنها في شبكة الطاقة للحفاظ على استقرار الشبكة وجودتها.

​

مصادر التوافقيات في محركات PMSM و BLDC

هناك العديد من العوامل التي تساهم في توليد التوافقيات في محركات PMSM و BLDC:

• تبديل العاكس: المصدر الرئيسي للتوافقيات هو تبديل تعديل عرض النبضة (PWM) في العاكس. يؤثر تردد التبديل واستراتيجية تعديل عرض النبضة المُستخدمة بشكل مباشر على طيف التوافقيات.

• الوقت الميت: الوقت الميت الضروري بين إشارات التبديل في أرجل العاكس لمنع حدوث دوائر قصيرة يؤدي أيضًا إلى تشويه شكل الموجة وتوليد التوافقيات.

• المكونات غير المثالية: يمكن أن تساهم الخصائص غير المثالية لمفاتيح الطاقة الإلكترونية والمكونات السلبية ودوائر الاستشعار في التشويه التوافقي.

• تصميم المحرك (خاصةً في محركات التيار المستمر ذات التيار المتردد المنخفض): إن شكل موجة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية شبه المنحرفة لمحرك التيار المستمر ذي التيار المتردد التقليدي، على عكس شكل موجة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية الجيبية لمحرك PMSM، يؤدي بطبيعة الحال إلى اختلاف خصائص التوافقيات في التيار عند التحكم بها باستخدام تقنيات التبديل القياسية. حتى في محركات PMSM، يمكن للتوافقيات المكانية في المجال المغناطيسي أن تُسهم في توافقيات التيار.

• استراتيجية التحكم: يمكن لخوارزميات التحكم المحددة المستخدمة لتشغيل المحرك أن تؤثر أيضًا على المحتوى التوافقي للجهد والتيار.

​

تأثير THD و ITHD على أداء محرك PMSM و BLDC

إن المستويات العالية من THD و ITHD لها العديد من التأثيرات الضارة على أداء محركات PMSM و BLDC ونظام القيادة بشكل عام:

• تموج عزم الدوران: تتفاعل التيارات التوافقية مع المجال المغناطيسي للمحرك مُنتجةً نبضات عزم دوران غير مرغوب فيها. يمكن أن يؤدي هذا التموج في عزم الدوران إلى اهتزازات وضوضاء صوتية وانخفاض دقة التحكم، وهو أمر بالغ الأهمية خاصةً في التطبيقات التي تتطلب تحكمًا سلسًا في الحركة. محركات التيار المستمر البطيء (BLDC)، نظرًا لقوة دافعها الكهرومغناطيسية الخلفية شبه المنحرفة وزاوية تبديلها التي تبلغ عادةً 120 درجة، أكثر عرضة بطبيعتها لتموج عزم الدوران الناتج عن التوافقيات من محركات PMSMs المُشغّلة بتيار جيبي.

• زيادة الخسائر وانخفاض الكفاءة: تُسبب التيارات التوافقية خسائر إضافية في النحاس (خسائر I2R) في ملفات المحرك نتيجةً لزيادة قيمة RMS للتيار. كما تُسهم في زيادة خسائر الحديد (خسائر التيار الدوامي والهستيريسيس) في قلب الجزء الثابت. تؤدي هذه الخسائر الإضافية إلى انخفاض كفاءة المحرك وزيادة درجة حرارة التشغيل، مما قد يُقصّر عمره الافتراضي.

• ارتفاع درجة الحرارة: تؤدي الخسائر المتزايدة الناتجة عن التوافقيات إلى ارتفاع درجات حرارة التشغيل لكلٍّ من المحرك ومكونات الطاقة الإلكترونية. قد يُسبب هذا إجهادًا لمواد العزل ويؤدي إلى عطل مبكر.

• الضوضاء الصوتية والاهتزاز: تساهم تموجات عزم الدوران والتيارات التوافقية في زيادة الضوضاء المسموعة والاهتزاز الميكانيكي في المحرك والنظام المتحرك.

• التداخل الكهرومغناطيسي (EMI): يمكن أن تؤدي حواف التبديل السريعة والمحتوى التوافقي للجهد والتيار إلى توليد تداخل كهرومغناطيسي، مما قد يؤثر على المعدات الإلكترونية الحساسة الأخرى.

• انخفاض جودة الطاقة: من منظور مصدر الطاقة، يعني ارتفاع معدل جهد التشغيل (ITHD) أن محرك المحرك يسحب تيارًا مشوهًا، مما قد يؤثر سلبًا على جودة الجهد للأحمال الأخرى المتصلة على نفس الشبكة الكهربائية. ولهذا السبب، تضع معايير مثل IEEE 519 حدودًا للتشوهات التوافقية التي تُعاد إلى الشبكة.

​

استراتيجيات التخفيف

لتقليل التأثيرات السلبية لـ THD و ITHD في تصميمات محركات PMSM و BLDC، يتم استخدام تقنيات تخفيف مختلفة، مماثلة لتلك المستخدمة في محركات الأقراص العامة ولكن في بعض الأحيان مع اعتبارات محددة لنوع المحرك:

• تقنيات PWM المتقدمة: يمكن أن يؤدي تنفيذ استراتيجيات PWM المتطورة (على سبيل المثال، تعديل متجه الفضاء لـ PMSM) إلى تحسين أنماط التبديل لتقليل التوافقيات المحددة.

• الترشيح: يمكن أن يساعد دمج محاثات التيار المتردد على جانب الإدخال (مفاعلات الخط) أو جانب الإخراج (مفاعلات المحرك) من العاكس، أو استخدام مرشحات سلبية أو نشطة أكثر تعقيدًا، في تخفيف التيارات التوافقية.

• العاكسات متعددة المستويات: يمكن أن يؤدي استخدام طوبولوجيات العاكس متعدد المستويات إلى إنتاج أشكال موجية للجهد ذات محتوى توافقي أقل مقارنة بالعاكسات القياسية ثنائية المستويات.

• تحسينات خوارزمية التحكم: إن تنفيذ استراتيجيات التحكم التي تعوض بشكل نشط عن التوافقيات أو تقمعها يمكن أن يؤدي إلى تحسين الأداء.

في الختام، يُعدّ التشوه التوافقي الكلي (THD)، وخاصةً تشوه الدارة المتكاملة (ITHD)، من المخاوف الرئيسية في تصميم محركات PMSM وBLDC. وتُعدّ طبيعة التحويل في العاكس السبب الرئيسي لهذه التوافقيات، والتي بدورها تؤدي إلى تأثيرات غير مرغوب فيها مثل تموج عزم الدوران، وانخفاض الكفاءة، وزيادة الحرارة والضوضاء. وتُعدّ مراعاة التصميم الدقيق، بما في ذلك استراتيجيات تعديل عرض النبضة (PWM) المناسبة، والترشيح، وتقنيات التحكم المتقدمة المحتملة، أمرًا ضروريًا لإدارة التشوه التوافقي وضمان الأداء الأمثل والموثوقية لأنظمة محركات PMSM وBLDC.