Flux-map-based optimal current reference generation for copper-loss minimization and fault-tolerant control of a six-phase electrically excited synchronous motor
यह शोधपत्र छह-फेज इलेक्ट्रीकल एक्साइटेड सिंक्रोनस मोटरों के लिए एक वेरिएबल-फील्ड लुक-अप-टेबल रणनीति का प्रस्ताव करता है और प्रयोगात्मक रूप से उसे मान्य करता है, जो इष्टतम करंट संदर्भ उत्पन्न करने के लिए नॉनलीन फ्लक्स-लिंकेज मैप्स का उपयोग करता है, जिससे कॉपर लॉस को महत्वपूर्ण रूप से कम किया जाता है और सिंगल ओपन-फेज फॉल्ट के तहत फॉल्ट-टॉलरेंट ऑपरेशन सुनिश्चित किया जाता है।
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इलेक्ट्रिक मोटर आधुनिक जीवन के मौन कार्यबल हैं, जो कारखानों के रोबोट से लेकर हमारे द्वारा चलाई जाने वाली कारों तक सब कुछ संचालित करती हैं। दशकों से, इन मशीनों के सबसे शक्तिशाली और कुशल संस्करण स्थायी चुंबकों (परमानेंट मैग्नेट्स) पर निर्भर रहे हैं, जो दुर्लभ धातु के टुकड़े होते हैं जो बिना बिजली के एक निरंतर चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं। हालाँकि, ये चुंबक ऐसी सामग्रियों पर निर्भर हैं जिन्हें प्राप्त करना कठिन है और जिनका निष्कर्षण पर्यावरणीय रूप से महंगा है। इसने इंजीनियरों को विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित किया है, विशेष रूप से ऐसे मोटर जो तार की कुंडलियों (कॉइल्स) और बिजली का उपयोग करके अपना स्वयं का चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक इलेक्ट्रोमैग्नेट काम करता है। ये मशीनें एक अनूठा लाभ प्रदान करती हैं: क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र बिजली द्वारा बनाया जाता है, इसलिए इसे चलते समय (ऑन द फ्लाई) समायोजित किया जा सकता है। यह लचीलापन इन मशीनों को अपने स्थायी चुंबक वाले समकक्षों की तुलना में विभिन्न गति और भार के अनुकूल होने में अधिक प्रभावी ढंग से सक्षम बनाता है। फिर भी, यही लचीलापन एक जटिल पहेली पैदा करता है। चूंकि मोटर के पास मशीन के विभिन्न हिस्सों में करंट की विभिन्न मात्राओं को मिलाकर समान मात्रा में शक्ति उत्पन्न करने के कई तरीके हैं, इसलिए ऊर्जा बचाने के लिए एकल सर्वोत्तम संयोजन खोजना अविश्वसनीय रूप से कठिन है, विशेष रूप से तब जब मशीन को उसकी सीमाओं तक धकेला जाता है या जब उसका कोई हिस्सा टूट जाता है।
अलेक्जेंड्रिया विश्वविद्यालय और सुल्तान काबूस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक विशिष्ट प्रकार के छह-फेज इलेक्ट्रिक मोटर को नियंत्रित करने का एक नया तरीका विकसित किया है। यह मोटर सामान्य तीन के बजाय छह अलग-अलग तारों के सेट के साथ डिज़ाइन की गई है, जो एक ऐसा डिज़ाइन है जो इसे अधिक विश्वसनीय बनाता है और यदि एक तार विफल हो जाए तो भी चलने में सक्षम बनाता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी मशीन पर ध्यान केंद्रित किया जो 'इलेक्ट्रोलीकल एक्साइटेड रोटर' का उपयोग करती है, जिसका अर्थ है कि यह स्थायी चुंबकों के बजाय एक अलग कुंडली के माध्यम से अपना चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है। मुख्य चुनौती जो उन्होंने संबोधित की वह यह थी कि किसी भी क्षण मुख्य मोटर कॉइल्स और रोटर कॉइल को कितनी बिजली भेजी जाए, इसका निर्णय कैसे किया जाए। यदि गलत मात्रा चुनी जाती है, तो मोटर गर्मी के रूप में ऊर्जा बर्बाद करती है, जिसे 'कॉपर लॉस' के रूप में जाना जाता है। जबकि पुराने तरीके एक अच्छा सेटिंग ढूंढ सकते थे, वे अक्सर सबसे अच्छे विकल्प को चूक जाते थे क्योंकि वे मोटर के आंतरिक चुंबकीय व्यवहार को सरल और अपरिवर्तनीय मानते थे, यह तथ्य अनदेखा करते हुए कि जब मोटर को जोर से चलाया जाता है, तो इसके अंदर की धातु चुंबकीय रूप से "पूर्ण" या संतृप्त (सैचुरेटेड) हो जाती है।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने मोटर के व्यवहार का एक परिष्कृत डिजिटल मानचित्र तैयार किया। यह अनुमान लगाने के बजाय कि मोटर कैसे प्रतिक्रिया देती है, उन्होंने मशीन का भौतिक परीक्षण किया, जिसमें गति, टॉर्क और विद्युत धारा के हजारों विभिन्न संयोजनों के माध्यम से इसे चलाया गया। उन्होंने वास्तविक दुनिया की स्थितियों में, जिसमें चुंबकीय संतृप्ति के जटिल प्रभाव शामिल हैं, मशीन के भीतर चुंबकीय क्षेत्र वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं, इसका एक विस्तृत, त्रि-आयामी चित्र बनाने के लिए परिणामों को मापा। इस प्रयोगात्मक डेटा का उपयोग करते हुए, उन्होंने कंप्यूटर पर एक अनुकूलन प्रक्रिया (ऑप्टिमाइज़ेशन प्रोसेस) चलाई ताकि आवश्यक शक्ति उत्पन्न करने के लिए और गर्मी के रूप में सबसे कम ऊर्जा बर्बाद करने के लिए करंट का सही मिश्रण पाया जा सके। उन्होंने इन आदर्श सेटिंग्स को एक 'लुक-अप टेबल' में संग्रहीत किया, जो एक पूर्व-गणना किया गया मार्गदर्शक है जिसका मोटर नियंत्रक तुरंत परामर्श कर सकता है। यह मार्गदर्शक मोटर को बताता है कि प्रत्येक संभावित गति और भार के लिए मुख्य वाइंडिंग और रोटर फील्ड वाइंडिंग को कितनी करंट भेजनी है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि मशीन हमेशा अपने सबसे कुशल बिंदु पर संचालित हो।
टीम ने इस नए नियंत्रण रणनीति का परीक्षण मोटर के एक भौतिक प्रोटोटाइप पर किया, और इसकी तुलना दो अन्य सामान्य तरीकों से की: एक मानक नियंत्रण तकनीक जो रोटर फील्ड को स्थिर रखती है, और एक अधिक पारंपरिक तरीका जो कुल ऊर्जा हानि के लिए अनुकूलित नहीं है। परिणाम स्पष्ट थे। जब मोटर सामान्य रूप से चल रही थी, तो नई रणनीति ने मानक पद्धति की तुलना में औसतन 8.57 वाट और निरंतर-फील्ड पद्धति की तुलना में 21.9 वाट की कुल ऊर्जा को गर्मी के रूप में बर्बाद होने से कम किया। स्वस्थ ऑपरेटिंग बिंदुओं की एक विस्तृत श्रृंखला में, बचत महत्वपूर्ण थी, जिसमें अधिकतम कमी 27 वाट थी, जो मानक पद्धति के सापेक्ष दक्षता में 37 प्रतिशत का सुधार दर्शाती है। शोधकर्ताओं ने एक दोष की स्थिति (फॉल्ट कंडीशन) के तहत भी सिस्टम का परीक्षण किया, जिसमें एक छह-शक्ति लाइनों में से एक लाइन के कट जाने का अनुकरण किया गया। इस क्षति के बावजूद, नई नियंत्रण रणनीति ने मोटर को स्थिर गति और शक्ति बनाए रखने के लिए शेष तारों में विद्युत भार को पुनर्वितरित करके सुचारू रूप से चलते रहने की अनुमति दी। इस क्षतिग्रस्त अवस्था में, नए तरीके ने मानक दृष्टिकोण की तुलना में कुल ऊर्जा हानि को आधे से अधिक कम कर दिया।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि मोटर के वास्तविक व्यवहार को सावधानीपूर्वक मैप करके और उस डेटा का उपयोग करके सबसे कुशल सेटिंग्स को पूर्व-गणना करके, इंजीनियर इलेक्ट्रिक ड्राइव के प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण इलेक्ट्रिक वाहनों और अन्य अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से मूल्यवान है जहाँ बचा हुआ प्रत्येक वाट ऊर्जा बैटरी की रेंज बढ़ाता है और उस गर्मी को कम करता है जिसे कूलिंग सिस्टम को प्रबंधित करना होता है। यह सिद्ध करके कि मोटर टूटे हुए तार के साथ भी चल सकती है, यह अध्ययन उन मशीनों की ओर एक मार्ग को उजागर करता है जो न केवल अधिक कुशल बल्कि अधिक मजबूत और विश्वसनीय भी हैं। शोधकर्ताओं ने कठोर भौतिक परीक्षणों के माध्यम से अपने निष्कर्षों की पुष्टि की, जिससे पता चला कि सैद्धांतिक बचत सीधे वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन लाभों में परिवर्तित होती है, जो अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रिक परिवहन और औद्योगिक मशीनरी के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करती है।
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