Meniul
AcasăWindows 7

Control motor vectorial. Probleme moderne ale științei și educației

  • Tutorial

- Ce este controlul vectorial?
- Mentine curentul la 90 de grade.

Termenul „control vectorial” al motoarelor electrice este familiar pentru oricine a fost cel puțin oarecum interesat de întrebarea cum să controleze un motor AC folosind un microcontroler. Cu toate acestea, de obicei, în orice carte despre acționările electrice, capitolul despre controlul vectorial este situat undeva aproape de sfârșit, constând dintr-o grămadă de formule păroase cu referințe la toate celelalte capitole ale cărții. De ce nu vrei să înțelegi deloc această problemă? Și chiar și cele mai simple explicații încă trec prin ecuații de echilibru diferențial, diagrame vectoriale și o grămadă de alte matematici. Din această cauză, încercări de genul acesta par să pornească cumva motorul fără a utiliza hardware-ul. Dar, de fapt, controlul vectorial este foarte simplu dacă înțelegeți principiul funcționării sale „pe degete”. Și atunci va fi mai distractiv să te ocupi de formule dacă este necesar.

Principiul de funcționare al unei mașini sincrone

Să luăm în considerare principiul de funcționare al celui mai simplu motor de curent alternativ - o mașină sincronă cu magnet permanent. Un exemplu convenabil este o busolă: acul său magnetic este rotorul unei mașini sincrone, iar câmpul magnetic al Pământului este câmpul magnetic al statorului. Fără o sarcină externă (și nu există niciuna în busolă, cu excepția frecării și a fluidului care atenuează oscilațiile acului), rotorul este întotdeauna orientat de-a lungul câmpului statorului. Dacă ținem o busolă și rotim Pământul sub ea, acul se va învârti împreună cu el, făcând lucru pentru a amesteca fluidul în interiorul busolei. Dar există o modalitate puțin mai simplă - puteți lua un magnet extern, de exemplu, sub forma unei tije cu poli la capete, al cărei câmp este mult mai puternic decât câmpul magnetic al Pământului, aduceți-l la busolă de sus și rotiți magnetul. Săgeata se va deplasa urmând câmpul magnetic rotativ. Într-un motor sincron real, câmpul statorului este creat de electromagneți - bobine cu curent. Circuitele de înfășurare de acolo sunt complexe, dar principiul este același - creează un câmp magnetic cu statorul, îndreptat în direcția dorită și având amplitudinea necesară. Să ne uităm la următoarea figură (Figura 1). În centru se află un magnet - rotorul unui motor sincron („săgeata” busolei), iar pe laturi sunt doi electromagneți - bobine, fiecare creând propriul câmp magnetic, unul în axa verticală, celălalt. în orizontală.


Figura 1. Principiul de funcționare al unei mașini electrice sincrone

Fluxul magnetic al bobinei este proporțional cu curentul din ea (cu o primă aproximare). Ne va interesa fluxul magnetic de la stator în locul în care se află rotorul, adică. în centrul imaginii (neglijăm efectele de margine, împrăștierea și orice altceva). Fluxurile magnetice a două bobine situate perpendicular sunt adăugate vectorial, formând un flux comun pentru interacțiunea cu rotorul. Dar, deoarece fluxul este proporțional cu curentul din bobină, este convenabil să desenați vectorii de curent direct, aliniindu-i cu fluxul. Figura prezintă niște curenti eu αȘi eu β, creând fluxuri magnetice de-a lungul axelor α și respectiv β. Vectorul curentului total al statorului Este creează un flux magnetic statoric codirigit. Acestea. de fapt Este simbolizează magnetul extern pe care l-am adus la busolă, dar creat de electromagneți - bobine cu curent.
În figură, rotorul este situat într-o poziție arbitrară, dar din această poziție rotorul va tinde să se rotească în funcție de fluxul magnetic al statorului, adică. prin vector Este(poziția rotorului în acest caz este indicată de linia punctată). În consecință, dacă aplicați curent doar fazei α , sa spunem eu α= 1A, rotorul va sta pe orizontală, iar dacă este în β, pe verticală, și dacă aplicați eu β= -1 Și apoi se va întoarce cu 180 de grade. Dacă furnizați curent eu α conform legii sinusului și eu β conform legii cosinusului timpului se va crea un câmp magnetic rotativ. Rotorul îl va urma și se va învârti (ca un ac de busolă urmărește rotația unui magnet cu mâna). Acesta este principiul de bază al funcționării unei mașini sincrone, în acest caz o mașină în două faze cu o pereche de plusuri.
Să desenăm un grafic al cuplului motorului în funcție de poziția unghiulară a arborelui rotorului și de vectorul curent Este stator – caracteristică unghiulară a unui motor sincron. Această dependență este sinusoidală (Figura 2).


Figura 2. Caracteristica unghiulară a unei mașini sincrone (există o confuzie istorică aici cu semnele momentului și unghiului, motiv pentru care caracteristica este adesea desenată inversată față de axa orizontală).

Pentru a obține acest grafic în practică, puteți pune un senzor de cuplu pe arborele rotorului, apoi porniți orice vector de curent, de exemplu, aplicați pur și simplu curent la faza α. Rotorul se va roti în poziția corespunzătoare, care trebuie luată ca zero. Apoi, prin intermediul senzorului de cuplu, trebuie să rotiți rotorul „cu mâna”, fixând unghiul de pe grafic în fiecare punct θ , care a fost întors, și momentul în care senzorul a arătat. Acestea. trebuie să întindeți „arcul magnetic” al motorului prin senzorul de cuplu. Cel mai mare moment va fi la un unghi de 90 de grade față de vectorul curent (de la început). Amplitudinea cuplului maxim rezultat Mmax este proporțională cu amplitudinea vectorului curent aplicat. Dacă se aplică 1A, obținem, de exemplu, M max = 1 N∙m (newton*metru, unitate de măsură a cuplului), dacă aplicăm 2A, obținem M max = 2 N∙m.

Din această caracteristică rezultă că motorul dezvoltă cel mai mare cuplu atunci când rotorul se află la 90° față de vectorul curent. Deoarece, la crearea unui sistem de control pe un microcontroler, dorim să obținem cel mai mare cuplu de la motor cu un minim de pierderi, iar pierderile, în primul rând, sunt curentul din înfășurări, este cel mai rațional să setăm întotdeauna curentul. vector la 90° față de câmpul magnetic al rotorului, adică perpendicular pe magnetul din figura 1. Trebuie să schimbăm totul invers - rotorul nu se mișcă spre vectorul curent pe care l-am setat, dar setăm întotdeauna vectorul curent la 90° față de rotor, indiferent de modul în care se rotește acolo , adică „cuie” vectorul curent pe rotor. Vom regla cuplul motorului prin amplitudinea curentului. Cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât cuplul este mai mare. Dar frecvența de rotație, frecvența curentului în înfășurări nu mai este afacerea „noastre” - ce se întâmplă, cum se rotește rotorul, așa va fi - controlăm cuplul pe arbore. Destul de ciudat, acesta este exact ceea ce se numește control vectorial - atunci când controlăm vectorul curentului statorului astfel încât acesta să fie la 90° față de câmpul magnetic al rotorului. Deși unele manuale oferă definiții mai largi, până la punctul în care controlul vectorial se referă în general la orice legi de control în care sunt implicați „vectori”, dar de obicei controlul vectorial se referă exact la metoda de control de mai sus.

Construirea unei structuri de control vectorial

Dar cum se realizează controlul vectorial în practică? Evident, mai întâi trebuie să știi poziția rotorului, astfel încât să ai ceva de măsurat 90° față de. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este prin instalarea senzorului de poziție însuși pe arborele rotorului. Apoi trebuie să vă dați seama cum să creați un vector de curent, menținând curenții doriti în faze α Și β . Aplicăm tensiune motorului, nu curent... Dar din moment ce vrem să susținem ceva, trebuie să-l măsurăm. Prin urmare, pentru controlul vectorial veți avea nevoie de senzori de curent de fază. Apoi, trebuie să asamblați o structură de control vectorial sub forma unui program pe un microcontroler care va face restul. Pentru ca această explicație să nu arate ca o instrucțiune despre „cum să desenezi o bufniță”, haideți să continuăm scufundarea.
Puteți menține curentul cu microcontrolerul folosind un regulator de curent PI (proporțional-integral) software și PWM. De exemplu, o structură cu un regulator de curent pentru o fază α este prezentată mai jos (Figura 3).


Figura 3. Structura de control curent-închis pentru o fază

Iată setarea curentă eu α_back– o anumită constantă, curentul pe care vrem să-l menținem pentru această fază, de exemplu 1A. Sarcina este trimisă la sumatorul actual al regulatorului, a cărui structură dezvăluită este prezentată mai sus. Dacă cititorul nu știe cum funcționează controlerul PI, atunci vai. Pot să recomand doar câteva dintre acestea. Regulatorul de curent de ieșire stabilește tensiunea de fază U α. Tensiunea este furnizată blocului PWM, care calculează setările ciclului de lucru (setări de comparație) pentru temporizatoarele PWM ale microcontrolerului, generând PWM pe un invertor punte de patru comutatoare pentru a genera acest lucru. U α. Algoritmul poate fi diferit, de exemplu, pentru tensiune pozitivă PWM-ul rack-ului din dreapta este proporțional cu setarea tensiunii, comutatorul inferior este închis în stânga, pentru PWM negativ cel din stânga, comutatorul inferior este închis în dreapta. Nu uitați să adăugați timp mort! Drept urmare, o astfel de structură face din software o „sursă de curent” în detrimentul unei surse de tensiune: setăm valoarea de care avem nevoie eu α_back, iar această structură o implementează cu o anumită viteză.

În plus, poate că unii cititori s-au gândit deja că structura de control vectorial este doar o chestiune mică - trebuie să instalați două regulatoare de curent, un regulator pentru fiecare fază și să le formați o sarcină în funcție de unghiul de la senzorul de poziție a rotorului ( RPS), adică de ex. faceți ceva ca această structură (Figura 4):


Figura 4. Structura de control vectorială incorectă (naiv).

Nu poți face asta. Când rotorul se rotește, variabilele eu α_backȘi eu β_înapoi va fi sinusoidală, adică sarcina actualilor de reglementare se va schimba tot timpul. Viteza controlerului nu este infinită, așa că atunci când sarcina se schimbă, nu o procesează imediat. Dacă sarcina este schimbată în mod constant, atunci regulatorul o va ajunge mereu din urmă, fără a ajunge la ea niciodată. Și pe măsură ce viteza de rotație a motorului crește, întârzierea curentului real de la cel dat va deveni din ce în ce mai mare, până când unghiul dorit de 90° între curent și magnetul rotorului încetează să mai fie deloc similar cu acesta, iar vectorul controlul încetează să mai fie așa. De aceea o fac altfel. Structura corectă este următoarea (Figura 5):


Figura 5. Structura de control al senzorului vectorial pentru mașina sincronă în două faze

Două blocuri au fost adăugate aici - BKP_1 și BKP_2: blocuri de transformări de coordonate. Ei fac un lucru foarte simplu: rotesc vectorul de intrare cu un unghi dat. Mai mult, BOD_1 se transformă în + ϴ și BKP_2 pe - ϴ . Asta e toată diferența dintre ei. În literatura străină se numesc transformări de parc. BKP_2 realizează transformarea de coordonate pentru curenți: din axe fixe α Și β , legat de statorul motorului, de axele de rotație dȘi q, legat de rotorul motorului (folosind unghiul de poziție a rotorului ϴ ). Și BKP_1 face transformarea inversă, de la setarea tensiunii de-a lungul axelor dȘi q face trecerea la axe α Și β . Nu ofer formule pentru conversia coordonatelor, dar sunt simple și foarte ușor de găsit. De fapt, nu este nimic mai complicat decât geometria școlii (Figura 6):


Figura 6. Transformări de coordonate de la axele fixe α și β, legate de statorul motorului, la axele de rotație. dȘi q, legat de rotor

Adică, în loc să „rotiți” setările regulatoarelor (cum era cazul în structura anterioară), intrările și ieșirile lor se rotesc, iar regulatoarele în sine funcționează în modul static: curenți d, q iar ieșirile regulatoarelor în regim staționar sunt constante. Axe dȘi q se rotesc împreună cu rotorul (deoarece sunt rotite de un semnal de la senzorul de poziție a rotorului), în timp ce regulatorul de axe q reglează exact curentul pe care la începutul articolului l-am numit „perpendicular pe câmpul rotorului”, adică este un curent generator de cuplu, iar curentul d este aliniat cu „magnetul rotorului”, deci nu avem nevoie de el și îl setăm egal cu zero. Această structură este lipsită de dezavantajul primei structuri - actualii reglementatori nici măcar nu știu că ceva se învârte pe undeva. Ei lucrează în modul static: și-au ajustat fiecare dintre curenții, au ajuns la tensiunea specificată - și atât, ca și rotorul, nu fugiți de ei, nici nu vor ști despre asta: toată munca de întoarcere. se face prin blocuri de transformare de coordonate.

Pentru a explica „pe degete”, puteți da o analogie.

Pentru trafic liniar, să fie, de exemplu, un autobuz urban. Accelerează constant, apoi încetinește, apoi merge înapoi și, în general, se comportă așa cum vrea: este un rotor de motor. De asemenea, ești într-o mașină în apropiere, conducând în paralel: sarcina ta este să fii exact în mijlocul autobuzului: „ține 90°”, voi sunteți actualii reglementatori. Dacă autobuzul își schimbă viteza tot timpul, ar trebui să modificați și viteza în consecință și să o monitorizați tot timpul. Dar acum vom face „control vectorial” pentru tine. Te-ai urcat în interiorul autobuzului, ai stat în mijloc și te-ai ținut de balustradă - ca și autobuzul, nu fugi, poți face față cu ușurință sarcinii de „a fi în mijlocul autobuzului”. În mod similar, regulatoarele de curent, „rulând” în axele de rotație d, q ale rotorului, duc o viață ușoară.


Structura de mai sus funcționează de fapt și este utilizată în acționările electrice moderne. Numai că îi lipsesc o grămadă de mici „îmbunătățiri”, fără de care nu se mai obișnuiește să o facă, cum ar fi compensarea conexiunilor încrucișate, diverse restricții, slăbirea câmpului etc. Dar acesta este principiul de bază.

Și dacă trebuie să reglați nu cuplul de antrenare, ci totuși viteza (viteza unghiulară corectă, frecvența de rotație)? Ei bine, atunci instalăm un alt controler PI - un regulator de viteză (RS). Aplicam o comanda de viteza la intrare, iar la iesire avem o comanda de cuplu. Deoarece curentul axei q este proporțională cu cuplul, apoi pentru a-l simplifica, ieșirea regulatorului de viteză poate fi alimentată direct la intrarea controlerului de curent al axei q, astfel (Figura 7):


Figura 7. Controler de viteză pentru control vectorial
Aici SI, setatorul de intensitate, își schimbă ușor puterea, astfel încât motorul să accelereze în ritmul dorit și să nu conducă la curent maxim până când viteza este setată. Viteza curenta ω luate de la manipulatorul senzorului de poziție a rotorului, din moment ce ω aceasta este derivata poziției unghiulare ϴ . Ei bine, sau pur și simplu puteți măsura timpul dintre impulsurile senzorului...

Cum se procedează la fel pentru un motor trifazat? Ei bine, de fapt, nimic special, adăugăm un alt bloc și schimbăm modulul PWM (Figura 8).


Figura 8. Structura de control al senzorului vectorial pentru mașina sincronă trifazată

Curenții trifazici, la fel ca și cei bifazici, servesc unui singur scop - de a crea un vector de curent stator Este, îndreptată în direcția dorită și având amplitudinea dorită. Prin urmare, curenții trifazici pot fi pur și simplu transformați în bifazi și apoi lăsați același sistem de control care a fost deja asamblat pentru o mașină cu două faze. În literatura de limba engleză, o astfel de „recalculare” se numește transformare Clarke (Edith Clarke este ea), la noi se numește transformări de fază. În structura din Figura 8, în consecință, această operație este realizată de un bloc de transformare de fază. Se fac din nou folosind cursul de geometrie școlară (Figura 9):


Figura 9. Conversii de fază - de la trei faze la două. Pentru comoditate, presupunem că amplitudinea vectorului I s este egală cu amplitudinea curentului în fază

Cred că nu sunt necesare comentarii. Câteva cuvinte despre curentul fazei C. Nu este nevoie să instalați acolo un senzor de curent, deoarece cele trei faze ale motorului sunt conectate într-o stea și, conform legii lui Kirchhoff, tot ceea ce trece prin două faze trebuie să iasă din al treilea (cu excepția cazului în care, desigur, există o gaură în izolația motorului și jumătate nu s-a scurs undeva pe carcasă), prin urmare, curentul fazei C este calculat ca suma scalară a curenților fazelor A și B cu o semnul minus. Deși uneori este instalat un al treilea senzor pentru a reduce eroarea de măsurare.

De asemenea, este necesară o reparație completă a modulului PWM. De obicei, un invertor trifazat cu șase întrerupătoare este utilizat pentru motoarele trifazate. În figură, comanda de tensiune ajunge încă în axe bifazate. În interiorul modulului PWM, folosind transformări de fază inversă, acesta poate fi convertit în tensiuni ale fazelor A, B, C, care trebuie aplicate motorului în acest moment. Dar ce să faci în continuare... Opțiunile sunt posibile. O metodă naivă este de a seta un ciclu de lucru pentru fiecare rack invertor proporțional cu tensiunea dorită plus 0,5. Aceasta se numește undă sinusoidală PWM. Aceasta este exact metoda pe care autorul a folosit-o în habrahabr.ru/post/128407. Totul este bun în această metodă, cu excepția faptului că această metodă va subutiliza invertorul de tensiune - adică. tensiunea maximă care va fi obținută va fi mai mică decât ați putea obține dacă ați folosi o metodă PWM mai avansată.

Hai să facem calculul. Permiteți-vă un convertor de frecvență clasic, alimentat de o rețea industrială trifazată 380V 50Hz. Aici 380V este tensiunea efectivă liniară (între faze). Deoarece convertorul conține un redresor, acesta va redresa această tensiune și magistrala DC va avea o tensiune egală cu tensiunea liniară de amplitudine, adică. 380∙√2=540V DC tensiune (cel puțin fără sarcină). Dacă aplicăm un algoritm de calcul sinusoidal în modulul PWM, atunci amplitudinea tensiunii maxime de fază pe care o putem atinge va fi egală cu jumătate din tensiunea de pe magistrala DC, adică. 540/2=270V. Să transformăm în fază efectivă: 270/√2=191V. Și acum la liniarul curent: 191∙√3=330V. Acum putem compara: a intrat 380V, dar a ieșit 330V... Și nu poți face nimic altceva cu acest tip de PWM. Pentru a corecta această problemă, se folosește așa-numitul tip vectorial PWM. Ieșirea sa va fi din nou de 380V (ideal, fără a lua în considerare toate căderile de tensiune). Metoda PWM vectorială nu are nimic de-a face cu controlul vectorial al unui motor electric. Doar că rațiunea sa folosește din nou puțină geometrie școlară, motiv pentru care se numește vector. Cu toate acestea, opera lui nu poate fi explicată pe degete, așa că voi trimite cititorul la cărți (la sfârșitul articolului) sau la Wikipedia. De asemenea, vă pot oferi o imagine care indică ușor diferența în funcționarea PWM sinusoidal și vectorial (Figura 10):


Figura 10. Modificarea potențialelor de fază pentru PWM scalar și vectorial

Tipuri de senzori de poziție

Apropo, ce senzori de poziție sunt folosiți pentru controlul vectorial? Există patru tipuri de senzori cei mai des utilizați. Acestea sunt un encoder incremental în cuadratura, un encoder bazat pe elemente Hall, un encoder de poziție absolută și un encoder sincron.
Encoder în cuadratura nu indică poziția absolută a rotorului - prin impulsurile sale vă permite doar să determinați cât de departe ați călătorit, dar nu unde și de unde (cum sunt legate începutul și sfârșitul de locația magnetului rotorului). Prin urmare, nu este potrivit pentru controlul vectorial al unei mașini sincrone. Semnul său de referință (indice) salvează puțin situația - există doar unul pe revoluție mecanică, dacă ajungeți la el, atunci poziția absolută devine cunoscută și din aceasta puteți număra deja cât de mult ați condus folosind un semnal în cuadratura. Dar cum să ajungi la acest punct la începutul lucrării? În general, acest lucru nu este întotdeauna convenabil.
Senzor element Hall- Acesta este un senzor brut. Produce doar câteva impulsuri pe rotație (în funcție de numărul de elemente Hall; pentru motoarele trifazate sunt de obicei trei, adică șase impulsuri), permițându-vă să cunoașteți poziția în valoare absolută, dar cu o precizie scăzută. Precizia este de obicei suficientă pentru a menține unghiul vectorului curent, astfel încât motorul să se miște cel puțin înainte și nu înapoi, dar cuplul și curenții vor pulsa. Dacă motorul a accelerat, atunci puteți începe să extrapolați programatic semnalul de la senzor în timp - adică. construiți un unghi care variază liniar dintr-un unghi discret grosier. Acest lucru se face pe baza ipotezei că motorul se rotește cu o viteză aproximativ constantă, ceva de genul acesta (Figura 11):


Figura 11. Funcționarea unui senzor de poziție element Hall pentru o mașină trifazată și extrapolarea semnalului acestuia

Adesea, pentru servomotoarele este folosită o combinație de codificator și senzor cu efect Hall. În acest caz, puteți realiza un singur modul software pentru procesarea lor, eliminând dezavantajele ambelor: faceți extrapolarea unghiului dată mai sus, dar nu după timp, ci după semnele de la codificator. Acestea. Un encoder funcționează în interiorul senzorului Hall de la o margine la alta și fiecare margine Hall inițializează în mod clar poziția unghiulară absolută curentă. În acest caz, doar prima mișcare a unității va fi neoptimă (nu la 90°), până când ajunge pe o parte din față a senzorului Hall. O problemă separată în acest caz este procesarea non-idealităților ambilor senzori - rareori cineva aranjează elementele Hall simetric și uniform...

În aplicații și mai scumpe pe care le folosesc codificator absolut cu o interfață digitală (encoder absolut), care oferă imediat poziția absolută și vă permite să evitați problemele descrise mai sus.

Dacă motorul electric este foarte fierbinte și, de asemenea, atunci când este necesară o precizie sporită a măsurării unghiului, utilizați „analogic” senzor sincron(resolvent, transformator rotativ). Aceasta este o mașină electrică mică folosită ca senzor. Imaginați-vă că în mașina sincronă pe care am considerat-o în Figura 1, în loc de magneți, există o altă bobină căreia îi aplicăm un semnal de înaltă frecvență. Dacă rotorul este orizontal, atunci semnalul va fi indus numai în bobina statorului de fază α , dacă vertical - atunci numai în β , daca il invarti la 180, faza semnalului se va schimba, iar in pozitii intermediare este indusa atat aici cat si acolo conform legii sinus/cosinus. În consecință, prin măsurarea amplitudinii semnalului în două bobine, poziția poate fi determinată și din raportul dintre această amplitudine și schimbarea de fază. Instalând o astfel de mașină ca senzor pe cea principală, puteți afla poziția rotorului.
Există mult mai mulți senzori de poziție exotici, în special pentru aplicații de ultra-înaltă precizie, cum ar fi fabricarea de cipuri electronice. Acolo, orice fenomene fizice sunt folosite doar pentru a afla poziția cât mai exact posibil. Nu le vom lua în considerare.

Simplificarea controlului vectorial

După cum înțelegeți, controlul vectorial este destul de solicitant - dați-i senzori de poziție, senzori de curent, control vectorial PWM și niciun microcontroler pentru a calcula toată această matematică. Prin urmare, pentru aplicații simple este simplificat. Pentru început, puteți elimina senzorul de poziție făcând control vectorial fără senzori. Pentru a face acest lucru, utilizați puțin mai multă magie matematică, situată în dreptunghiul galben (Figura 12):


Figura 12. Structura de control vectorial fără senzori

Un observator este un bloc care primește informații despre tensiunea aplicată motorului (de exemplu, dintr-o lucrare pe un modul PWM) și despre curenții din motor de la senzori. În interiorul observatorului există un model de motor electric, care, în linii mari, încearcă să-și ajusteze curenții din stator la cei măsurați de la un motor real. Dacă ea a reușit, atunci putem presupune că poziția rotorului simulat în interiorul arborelui coincide și cu cea reală și poate fi folosită pentru nevoile de control vectorial. Ei bine, acest lucru este, desigur, complet simplificat. Există nenumărate tipuri de observatori ca aceștia. Fiecare student absolvent specializat în acționări electrice încearcă să-și inventeze pe a lui, care este cumva mai bună decât altele. Principiul de bază este monitorizarea EMF a motorului electric. Prin urmare, cel mai adesea, un sistem de control fără senzori este funcțional numai la o viteză de rotație relativ mare, unde EMF este mare. Are, de asemenea, o serie de dezavantaje în comparație cu prezența unui senzor: trebuie să cunoașteți parametrii motorului, viteza de acționare este limitată (dacă viteza de rotație se modifică brusc, observatorul poate să nu aibă timp să o urmărească și să „mintă”. ” de ceva timp, sau chiar „se destramă” complet), configurarea unui observator este o procedură întreagă; pentru funcționarea sa de înaltă calitate, trebuie să cunoașteți exact tensiunea motorului, să măsurați cu precizie curenții acestuia etc.

Există o altă opțiune de simplificare. De exemplu, puteți face așa-numita „comutare automată”. În acest caz, pentru un motor trifazat, abandonează metoda complexă PWM, abandonează structura vectorială complexă și încep pur și simplu să pornească fazele motorului folosind un senzor de poziție pe elementele Hall, chiar și uneori fără nicio limitare de curent. Curentul în faze nu este sinusoidal, ci trapezoidal, dreptunghiular sau chiar mai distorsionat. Dar ei încearcă să se asigure că vectorul curent mediu este încă la 90 de grade față de „magnetul rotorului”, alegând momentul în care fazele sunt pornite. În același timp, pornind faza sub tensiune, nu se știe când va crește curentul în faza motorului. La o viteză mică de rotație face acest lucru mai repede, la o viteză mare, unde interferează EMF-ul mașinii, o face mai lent; rata de creștere a curentului depinde și de inductanța motorului etc. Prin urmare, chiar și incluzând fazele exact la momentul potrivit, nu este deloc un fapt că vectorul curent mediu va fi în locul potrivit și cu faza potrivită - poate fie să avanseze, fie să întârzie în raport cu cele 90 de grade optime. Prin urmare, în astfel de sisteme, este introdusă o setare „avans de comutare” - în esență, doar timpul, cât de multă tensiune mai devreme trebuie aplicată fazei motorului, astfel încât, în final, faza vectorului de curent să fie mai aproape de 90 de grade. Pur și simplu, acest lucru se numește „setarea timpurilor”. Deoarece curentul dintr-un motor electric în timpul autocomutației nu este sinusoidal, atunci dacă luați mașina sinusoidală discutată mai sus și o controlați în acest fel, cuplul de pe arbore va pulsa. Prin urmare, la motoarele proiectate pentru autocomutație, geometria magnetică a rotorului și a statorului este adesea schimbată într-un mod special pentru a le face mai potrivite pentru acest tip de control: EMF-ul unor astfel de mașini este făcut trapezoidal, datorită căruia funcționează mai bine în modul de comutație automată. Mașinile sincrone optimizate pentru comutație automată se numesc motoare de curent continuu fără perii (BLDC) sau în engleză BLDC (Motor de curent continuu fără perii). Modul de comutație automată este adesea numit și modul supapă, iar motoarele care funcționează cu acesta sunt de tip supapă. Dar toate acestea sunt doar nume diferite care nu afectează în niciun fel esența (dar operatorii experimentați cu acționare electrică suferă adesea de CPGS în probleme legate de aceste nume). Există un videoclip bun care ilustrează principiul de funcționare a unor astfel de mașini. Prezintă un motor inversat, cu rotorul în exterior și statorul în interior:

Dar există un curs de articole despre astfel de motoare și hardware-ul sistemului de control.

Puteți opta pentru o și mai mare simplificare. Comutați înfășurările astfel încât o fază să fie întotdeauna „liberă” și să nu i se aplice PWM. Apoi este posibil să se măsoare EMF (tensiunea indusă în bobina de fază), iar când această tensiune trece prin zero, utilizați-o ca semnal de la senzorul de poziție a rotorului, deoarece faza acestei tensiuni induse depinde exact de poziția rotor. Acest lucru are ca rezultat comutația automată fără senzori, care este utilizată pe scară largă în diverse acționări simple, de exemplu, în „regulatoare” pentru elice de model de aeronave. Trebuie amintit că EMF-ul mașinii apare doar la o viteză de rotație relativ mare, prin urmare, pentru a porni, astfel de sisteme de control pur și simplu circulă lent prin faze, în speranța că rotorul motorului va urma curentul furnizat. De îndată ce apare EMF, modul de comutație automată este activat. Prin urmare, un sistem fără senzori (atât de simplu și cel mai adesea complex) nu este potrivit pentru sarcini în care motorul trebuie să poată dezvolta cuplu la viteze aproape de zero, de exemplu, pentru o tracțiune a unei mașini (sau modelul acesteia). , un servomotor al unui mecanism etc. P. Dar sistemul fără senzori este potrivit cu succes pentru pompe și ventilatoare, unde este utilizat.

Dar uneori fac simplificări și mai mari. Puteți abandona complet microcontrolerul, cheile, senzorii de poziție și alte lucruri prin comutarea fazelor cu un comutator mecanic special (Figura 13):


Figura 13. Întrerupător mecanic pentru comutarea înfășurărilor

Când se rotește, rotorul însuși își schimbă părțile înfășurărilor, schimbând tensiunea aplicată acestora, în timp ce un curent alternativ curge în rotor. Comutatorul este poziționat în așa fel încât fluxul magnetic al rotorului și al statorului să fie din nou aproape de 90 de grade pentru a obține cuplul maxim. Astfel de motoare sunt numite naiv motoare cu curent continuu, dar complet nemeritat: înăuntru, după colector, curentul este încă alternativ!

Concluzie

Toate mașinile electrice funcționează în mod similar. În teoria acționărilor electrice, există chiar și conceptul de „mașină electrică generalizată”, la care se reduce munca altora. Explicațiile „practice” prezentate în articol nu pot servi în niciun caz drept ghid practic pentru scrierea codului microcontrolerului. Articolul discută bine dacă unul la sută din informațiile care sunt necesare pentru implementarea controlului vectorial real. Pentru a face ceva în practică, trebuie, în primul rând, să cunoașteți TAU, cel puțin la nivelul de înțelegere a modului în care funcționează controlerul PI. Apoi mai trebuie să studiați descrierea matematică atât a mașinii sincrone, cât și a sintezei controlului vectorial. De asemenea, studiați vectorul PWM, aflați ce sunt perechile de poli, familiarizați-vă cu tipurile de înfășurări ale mașinii etc. Acest lucru se poate face în cea mai recentă carte „Anuchin A.S. Electric drive control systems. MPEI, 2015”, precum și în „Kalachev Yu. N. Reglementarea vectorială (note de practică)”. Cititorul ar trebui avertizat să nu se scufunde în formulele manualelor „vechi” despre unități, unde accentul principal este pe luarea în considerare a caracteristicilor motoarelor electrice atunci când sunt alimentate direct de la o rețea industrială trifazată, fără microcontrolere și senzori de poziție. Comportarea motoarelor în acest caz este descrisă prin formule și dependențe complexe, dar pentru problema controlului vectorial sunt aproape deloc de folos (dacă sunt studiate doar pentru auto-dezvoltare). Ar trebui să fiți deosebit de atenți la recomandările manualelor vechi, unde, de exemplu, se spune că o mașină sincronă nu ar trebui să funcționeze la cuplul maxim, deoarece funcționarea acolo este instabilă și amenință să se răstoarne - toate acestea sunt „sfaturi proaste”. ” pentru controlul vectorial.

Pe ce microcontroler puteți face control vectorial cu drepturi depline, citiți, de exemplu, în articolul nostru Noul microcontroler casnic de control al motoarelor K1921VK01T JSC NIIET și cum să îl depanați în articolul Metode de depanare a software-ului microcontrolerului într-o unitate electrică. Vizitați și site-ul nostru web: în special, există două videoclipuri plictisitoare postate acolo, care arată în practică cum să configurați un controler de curent PI, precum și cum funcționează o structură de control curent închis și fără senzori vectorial. În plus, puteți achiziționa un kit de depanare cu o structură de control vectorială a senzorilor gata făcută pe un microcontroler casnic.

Continuarea articolului, care vorbește despre motoare asincrone.

P.S.
Îmi cer scuze experților pentru manipularea nu în întregime corectă a unor termeni, în special termenii „flux”, „legătură de flux”, „câmp magnetic” și alții - simplitatea necesită sacrificiu...

Etichete: Adăugați etichete

Control scalar(frecvență) - o metodă de control al curentului alternativ fără perii, care constă în menținerea unui raport constant tensiune/frecvență (V/Hz) pe întregul interval de viteză de funcționare, controlând în același timp doar mărimea și frecvența tensiunii de alimentare.

Raportul V/Hz este calculat pe baza valorii nominale (și frecvenței) motorului de curent alternativ care este monitorizat. Menținând constant raportul V/Hz, putem menține un flux magnetic relativ constant în intervalul motor. Dacă raportul V/Hz crește, atunci motorul devine supraexcitat și invers, dacă raportul scade, motorul este într-o stare subexcitată.


Modificarea tensiunii de alimentare a motorului cu control scalar

La viteze mici este necesar să se compenseze căderea de tensiune pe rezistența statorului, astfel încât raportul V/Hz la viteze mici este setat mai mare decât valoarea nominală. Metoda de control scalar este cea mai utilizată pentru a controla motoare electrice asincrone.

Așa cum se aplică motoarelor asincrone

Cu metoda de control scalar, viteza este controlată prin setarea tensiunii și frecvenței statorului, astfel încât câmpul magnetic din decalaj să fie menținut la valoarea dorită. Pentru a menține un câmp magnetic constant în decalaj, raportul V/Hz trebuie să fie constant la viteze diferite.


Pe măsură ce viteza crește, și tensiunea de alimentare a statorului trebuie să crească proporțional. Cu toate acestea, frecvența sincronă a unui motor asincron nu este egală cu viteza arborelui, ci depinde de sarcină. Astfel, un sistem scalar de control în buclă deschisă nu poate controla cu precizie viteza atunci când este prezentă o sarcină. Pentru a rezolva această problemă, feedback-ul de viteză și, prin urmare, compensarea alunecării, poate fi adăugat la sistem.


Dezavantajele controlului scalar

    Metodă control scalar relativ simplu de implementat, dar are câteva dezavantaje semnificative:
  • în primul rând, dacă nu este instalat un senzor de viteză, nu puteți controla viteza de rotație a arborelui, deoarece aceasta depinde de sarcină (prezența unui senzor de viteză rezolvă această problemă), iar în cazul unei modificări a sarcinii, puteți pierde complet. Control;
  • în al doilea rând, nu poate fi controlată. Desigur, această problemă poate fi rezolvată folosind un senzor de cuplu, dar costul instalării acestuia este foarte mare și, cel mai probabil, va fi mai mare decât acționarea electrică în sine. În acest caz, controlul cuplului va fi foarte inerțial;
  • de asemenea, este imposibil să controlezi cuplul și viteza în același timp.

Controlul scalar este suficient pentru majoritatea sarcinilor în care se utilizează o acționare electrică cu un interval de control al turației motorului de până la 1:10.

Când este necesară viteza maximă, se utilizează capacitatea de reglare pe o gamă largă de viteze și capacitatea de a controla cuplul motorului electric.

Orice modificare sau menținere a unei viteze constante a propulsiei electrice asigură o reglare țintită a cuplului dezvoltat de motor. Cuplul este format ca urmare a interacțiunii fluxului (legătura fluxului) creat de o parte a motorului cu curentul din cealaltă parte și este determinat de produsul vectorial al acestor doi vectori spațiali generatori de cuplu. Prin urmare, mărimea cuplului dezvoltat de motor este determinată de modulele fiecărui vector și de unghiul spațial dintre ele.

La construirea sisteme de control scalar Numai valorile numerice (modulele) vectorilor generatori de cuplu au fost controlate și reglate, dar poziția lor spațială nu a fost controlată. Principiul controlului vectorial constă în faptul că sistemul de control controlează valoarea numerică și poziția în spațiu unul față de celălalt a vectorilor generatori de cuplu. Prin urmare, sarcina controlului vectorial este de a determina și de a stabili cu forță valorile instantanee ale curentului în înfășurările motorului, astfel încât vectorii generalizați ai curenților și legăturile de flux să ocupe o poziție în spațiu care să asigure crearea cuplului electromagnetic necesar.

Cuplul electromagnetic generat de motor:

unde m este factorul de proiectare; , 2 - spațial

vectori de curenți sau legături de flux care formează cuplul; X- unghiul spațial dintre vectorii generatori de moment.

După cum rezultă din (6.53), valorile minime ale curenților (legăturile de flux) care formează cuplul vor fi pentru valoarea necesară a cuplului dacă vectorii Xși 2 sunt perpendiculare între ele, adică. X = °.

În sistemele de control vectorial, nu este nevoie să se determine poziția spațială absolută a vectorilor și 2 în raport cu axele statorului sau rotorului. Este necesar să se determine poziția unui vector față de altul. Prin urmare, unul dintre vectori este considerat a fi baza, iar poziția celuilalt controlează unghiul X.

Pe baza acestui fapt, la construirea sistemelor de control vectorial, este recomandabil să se pornească de la o descriere matematică a proceselor electromagnetice și electromecanice exprimate în coordonate legate de vectorul de bază (coordonate Și- v). O astfel de descriere matematică este dată în § 1.6.

Dacă luăm ca vector de bază și direcționăm axa de coordonate Și de-a lungul acestui vector, atunci, pe baza (1.46), obținem următorul sistem de ecuații:


În aceste ecuații? v = , deoarece vectorul coincide cu axa de coordonate Și.

În fig. Figura 6.31 prezintă o diagramă vectorială a curenților și a legăturilor de flux în axe Și- v ^orientarea coordonatelor Și de-a lungul vectorului de cuplare a rotorului. Din diagrama vectorială rezultă că

Orez. B.31. Diagrama vectorială a legăturilor de flux și a curenților în axe u-v la M

Cu schimbare constantă (sau lentă) p ambreiajul rotorului d"V u /dt= rezultând i și =Și Г = yji u +i v = i v

În acest caz, vectorul curent al rotorului G perpendicular pe legătura fluxului rotorului. Deoarece fluxul de scurgere a rotorului 0 este semnificativ mai mic decât fluxul din spațiul mașinii H, t atunci, dacă legătura fluxului rotorului este constantă, putem presupune că proiecția vectorului curent al statorului pe axa de coordonate v eu v egal cu |/"| sau /

Avantajul sistemului de coordonate adoptat u-v pentru construirea unui sistem de control vectorial al cuplului și al vitezei unui motor asincron este că cuplul motorului (6.54) este definit ca produsul scalar a doi vectori reciproc perpendiculari: legătura fluxului rotor *P și componenta activă a curentului statorului. Această definiție a cuplului este tipică, de exemplu, pentru motoarele de curent continuu cu excitație independentă, cea mai convenabilă pentru construirea unui sistem de control automat.

Sistem de control vectorial. Schema structurală a unui astfel de management se bazează pe următoarele principii:

  • ? un sistem de control cu ​​două canale constă dintr-un canal pentru stabilizarea legăturii fluxului rotorului și un canal pentru reglarea vitezei (cuplului);
  • ? ambele canale trebuie să fie independente, adică modificările valorilor reglementate ale unui canal nu ar trebui să-l afecteze pe celălalt;
  • ? canalul de control al vitezei (cuplului) controlează componenta curentului statorului /v. Algoritmul de funcționare al buclei de control al cuplului este același ca în sistemele de control al vitezei slave ale motoarelor de curent continuu (vezi § 5.6) - semnalul de ieșire al regulatorului de viteză este o referință la cuplul motorului. Prin împărțirea valorii acestei sarcini la modulul de legătură a fluxului rotorului Și obținem sarcina pentru componenta curentului stator i v (Fig. 6.32);
  • ? fiecare canal conţine un circuit intern de curenţi /v şi eu si cu autoritățile de reglementare actuale care asigură calitatea necesară a reglementării;
  • ? valorile curente obţinute i v și eu si prin transformări de coordonate sunt convertite în valori in absentași / p al unui sistem de coordonate fixe cu două faze a - (3 și apoi în sarcina curenților reali în înfășurările statorului într-un sistem de coordonate trifazat a-b-c;
  • ? Semnalele de viteză, unghiul de rotație a rotorului și curenții din înfășurările statorului necesari pentru calcule și formarea feedback-ului sunt măsurate de senzori corespunzători și apoi, folosind transformări de coordonate inverse, sunt convertite în valorile acestor mărimi corespunzătoare axelor de coordonate. u-v.

Orez.

Un astfel de sistem de control asigură controlul la viteză mare al cuplului și, în consecință, viteza în cel mai larg interval posibil (peste 10.000:1). În acest caz, valorile cuplului instantaneu ale unui motor asincron pot depăși semnificativ valoarea nominală a cuplului critic.

Pentru ca canalele de control să fie independente unele de altele, este necesar să se introducă semnale de compensare încrucișată e K0MPU și e compm la intrarea fiecărui canal (vezi Fig. 6.32). Găsim valoarea acestor semnale din ecuațiile circuitului stator (6.54). După ce a exprimat și CHK 1y prin curenții și inductanțele corespunzătoare (1.4) și ținând cont de faptul că atunci când axa este orientată Și de-a lungul vectorului de legătură flux rotor Х / |у =0 se obține:

De unde o găsim?


Unde coeficient de disipare.

Înlocuind (6.55) în (6.54) și ținând cont de faptul că în sistemul de control luat în considerare d x V 2u /dt = 0, primim

sau

noi constante de timp; e și e v - EMF de rotație de-a lungul axelor u-v

Pentru a seta cantități independente eu siși /v trebuie compensat e șiȘi e v introducerea tensiunilor de compensare:

Pentru a implementa principiile controlului vectorial, este necesar să se măsoare sau să se calculeze direct folosind un model matematic (estimare) modulul și poziția unghiulară a vectorului de legătură a fluxului rotorului. Schema funcțională a controlului vectorial al unui motor asincron cu măsurarea directă a debitului în întrefierul mașinii folosind senzori Hall este prezentată în Fig. 6.33.


Orez. B.ZZ. Diagrama funcțională a controlului vectorial direct al unui motor asincron

Circuitul conține două canale de control: un canal de control (stabilizare) pentru legătura fluxului rotorului *P 2 și un canal de control al vitezei. Primul canal conține o buclă de legătură de flux de rotor extern care conține un controler de legătură de flux PI RP și feedback de legătură de flux, al cărui semnal este generat folosind senzori Hall care măsoară debitul în golul mașinii. X? T de-a lungul axelor ai(3. Valorile reale ale fluxului sunt apoi recalculate în blocul PP în valorile legăturii fluxului rotorului de-a lungul axelor a și p și folosind filtrul vectorial VF, modulul legăturii fluxului rotorului este găsit vector, care este furnizat ca semnal de feedback negativ către regulatorul de legătură de flux RP și este folosit ca divizor în canalul de control al vitezei.

În primul canal, circuitul de curent intern este subordonat circuitului de legătură de flux eu si, conținând un regulator de curent PI PT1 și feedback asupra valorii actuale a curentului / 1i, calculată din valorile reale ale curenților de fază a statorului folosind convertorul de fază PF2 și convertorul de coordonate KP1. Ieșirea regulatorului de curent PT1 este setarea tensiunii Ulu, la care se adaugă semnalul de compensare al celui de-al doilea canal e kshpi(6,57). Semnalul de setare a tensiunii recepționat este convertit prin intermediul convertoarelor de coordonate KP2 și de fază PF2 în valori specificate și faze de tensiune la ieșirea convertizorului de frecvență.

Canalul de control al legăturii fluxului rotorului asigură că legătura fluxului Ch* 2 rămâne constantă în toate modurile de funcționare a acționării la nivelul valorii specificate x P 2set. Dacă este necesară slăbirea câmpului, H*^ poate varia în anumite limite cu o rată mică de modificare.

Al doilea canal este conceput pentru a regla viteza (cuplul) motorului. Conține o buclă de viteză externă și o buclă de curent internă subordonată / 1у. Comanda vitezei vine de la generatorul de intensitate, care determină accelerația și valoarea necesară a vitezei. Feedback-ul vitezei este implementat printr-un senzor de viteză DS sau un senzor de poziție unghiulară a rotorului.

Controlerul de viteză PC este adoptat ca proporțional sau proporțional-integral, în funcție de cerințele pentru acționarea electrică. Ieșirea regulatorului de viteză este comanda pentru cuplul dezvoltat de motorul L/R. Deoarece cuplul este egal cu produsul curentului prin legătura de flux al rotorului H / 2, atunci prin împărțirea valorii de setare a cuplului în blocul de diviziune DB M înapoi pe Ch / 2, obținem valoarea de setare curentă, care este furnizată la intrarea regulatorului de curent PT2. Procesarea ulterioară a semnalului este similară cu primul canal. Ca urmare, obținem o sarcină pentru tensiunea de alimentare a motorului pe fază, care determină valoarea și poziția spațială în fiecare moment de timp a vectorului generalizat al tensiunii statorice!? Rețineți că semnalele referitoare la variabilele din coordonatele - sunt semnale de curent continuu, iar semnalele care reflectă curenții și tensiunile în coordonatele aerului sunt semnale de curent alternativ care determină nu numai modulul, ci și frecvența și faza tensiunii și curentului corespunzătoare.

Sistemul de control vectorial considerat este implementat în prezent în formă digitală pe baza de microprocesoare. Au fost dezvoltate și utilizate pe scară largă diferite scheme de control al vectorului structural, care diferă în detaliu de cea luată în considerare. Astfel, în prezent, valorile reale ale legăturilor de flux nu sunt măsurate de senzori de flux magnetic, ci sunt calculate folosind un model matematic al motorului, bazat pe curenții și tensiunile de fază măsurate.

În general, controlul vectorial poate fi evaluat ca fiind cea mai eficientă modalitate de a controla motoarele de curent alternativ, oferind o precizie ridicată și viteză de control.

1

Atunci când se proiectează controlul frecvenței unui motor electric, este nevoie să se construiască modele adecvate care să țină cont pe deplin de specificul proceselor electromecanice în curs de desfășurare în motor. Pentru a testa modele, este necesar să le comparați cu un proces implementat fizic pe echipamente reale; în acest sens, este nevoie să se determine parametrii motoarelor electrice reale pentru a verifica modelul pentru adecvare. Articolul descrie un model matematic de control vectorial al unui motor electric asincron. Modelul vă permite să monitorizați procesele electromecanice dintr-un motor electric în timpul funcționării acestuia. Au fost obținute grafice ale proceselor tranzitorii mecanice și electrice care caracterizează pornirea unui motor electric. A fost construită o caracteristică mecanică a motorului electric cu control vectorial, care arată clar creșterea domeniului de sarcină. A fost evaluată adecvarea modelului. Experimentele matematice și crearea modelelor au fost efectuate în mediul de simulare grafică Simulink, o aplicație pentru pachetul Matlab.

invertor

model matematic

caracteristici mecanice

control vectorial

motor asincron

1. Vinogradov A.B. Controlul vectorial al unităților electrice de curent alternativ / Universitatea de Stat de Energie din Ivanovo numită după V.I. Lenin”. – Ivanovo, 2008. – 297 p.

2. Lihodedov A.D. Construirea caracteristicilor mecanice ale unui motor asincron și testarea acestuia // Probleme moderne de știință și educație. – 2012. – Nr 5. – URL: http://www..09.2012).

3. Usolţev A.A. Controlul vectorial al motoarelor asincrone: un manual despre disciplinele ciclului electromecanic. – Sankt Petersburg, 2002.

4. Shuvalov G.A. Economisirea energiei electrice folosind un convertor de frecvență // Echipamente electrice: operare și reparare. – 2012. – Nr. 2.

5. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen (în germană), Siemens-Zeitschrift 45, Heft 10, 1971.

6. PLC - este ușor!! Control vectorial. – URL: http://plc24.ru/vektornoe-upravlenie/ (data accesului: 09/12/2012).

Dezvoltarea acționării electrice asincrone cu control vectorial

Se obișnuiește să se facă distincția între două metode principale de control al acționărilor electrice de curent alternativ care folosesc convertoare de frecvență cu semiconductori ca convertoare de energie: frecvență și vector.

Cu controlul frecvenței, una dintre legile statice ale controlului frecvenței este implementată în acționarea electrică (de exemplu, etc.). La ieșirea sistemului de control, este generată o sarcină pentru frecvența și amplitudinea tensiunii de ieșire a invertorului. Domeniul de aplicare al unor astfel de sisteme: acționare electrică asincronă, care nu are cerințe statice și dinamice crescute, ventilatoare, pompe și alte mecanisme industriale generale.

Cu control vectorial, controlul se realizează pe baza valorilor instantanee ale variabilelor. În sistemele vectoriale digitale, controlul poate fi efectuat folosind variabile echivalente (mediate pe intervalul discret de control).

În 1971, Blaschke a propus principiul construirii unui sistem de control pentru un motor asincron, care a folosit un model vectorial al motorului cu orientarea sistemului de coordonate de-a lungul legăturii fluxului rotorului. Acest principiu se mai numește și control direct al cuplului. Controlul vectorial vă permite să creșteți semnificativ domeniul de control, precizia controlului și creșterea vitezei de acționare electrică. Această metodă asigură controlul direct al cuplului motorului.

Cuplul este determinat de curentul statorului, care creează un câmp magnetic excitant. Când controlați direct cuplul, este necesar să schimbați, pe lângă amplitudine, faza curentului statorului, adică vectorul curentului. De aici provine termenul „control vectorial”.

Pentru a controla vectorul curent și, în consecință, poziția fluxului magnetic al statorului în raport cu rotorul în rotație, este necesar să se cunoască în orice moment poziția exactă a rotorului. Problema este rezolvată fie folosind un senzor extern de poziție a rotorului, fie prin determinarea poziției rotorului prin calcule folosind alți parametri ai motorului. Curenții și tensiunile înfășurărilor statorului sunt utilizați ca acești parametri.

Mai puțin costisitoare este un variator de frecvență cu control vectorial fără senzor de feedback al vitezei, dar controlul vectorial necesită un volum mare și viteză mare de calcule de la convertizorul de frecvență. În plus, pentru controlul direct al cuplului la viteze de rotație scăzute, apropiate de zero, este imposibilă funcționarea unei acționări electrice cu frecvență variabilă fără feedback al vitezei. Controlul vectorial cu un senzor de feedback al vitezei oferă o gamă de control de până la 1:1000 și mai mare, precizia controlului vitezei este de sutimi de procent, acuratețea cuplului este de câteva procente.

Alimentarea cu energie a IM și SM în modul de control vectorial se realizează de la un invertor, care poate oferi oricând amplitudinea și poziția unghiulară necesare a vectorului de tensiune (sau curent) statorului. Amplitudinea și poziția vectorului de legătură a fluxului rotorului sunt măsurate folosind un observator (un aparat matematic care permite restabilirea parametrilor nemăsurați ai sistemului). În funcție de condițiile de funcționare ale acționării electrice, este posibil să se controleze motorul electric atât în ​​moduri cu precizie normală, cât și în moduri cu precizie crescută de procesare a sarcinii de viteză sau cuplu. De exemplu, un convertor de frecvență oferă o precizie de menținere a vitezei de rotație de ±2-3% în modul U/f, cu control vectorial fără senzor de viteză de ±0,2%, cu control vectorial complet cu senzor de viteză o precizie de ± Se oferă 0,01%.

Principiul general al controlului vectorial al IM

În viitor, vom folosi următorii indici ai sistemelor de coordonate: a-b - sistem de coordonate fix (), orientat de-a lungul axei fazei a a înfășurării statorului; x-y - sistem de coordonate care se rotește sincron cu rotorul () și orientat de-a lungul axei de fază a înfășurării acestuia; d-q - sistem de coordonate care se rotește sincron cu legătura de flux al rotorului () și orientat în direcția acestuia; m-n este un sistem de coordonate orientat arbitrar care se rotește cu o viteză arbitrară.

Principiul general al modelării și construirii unui sistem de control IM este că în acest scop se folosește un sistem de coordonate, orientat constant în direcția oricărui vector care determină cuplul electromagnetic. Apoi proiecția acestui vector pe cealaltă axă de coordonate și termenul corespunzător din expresia pentru cuplul electromagnetic va fi egal cu zero și, formal, ia o formă identică cu expresia pentru cuplul electromagnetic al unui motor de curent continuu, care este proporțională. în mărime la curentul de armătură și fluxul magnetic principal.

În cazul orientării sistemului de coordonate de-a lungul legăturii fluxului rotorului ( ) momentul poate fi reprezentat ca:

, (1)

unde este inductanța de scurgere a circuitului rotor, este inductanța circuitului de magnetizare, este numărul de perechi de poli și este proiecția curenților statorici pe axele sistemului de coordonate.

Folosind această expresie, este posibil, cu condiția ca legătura fluxului rotorului să fie constantă, să se controleze cuplul electromagnetic prin modificarea proiecției curentului statorului pe axa transversală. Alegerea ecuației pentru construirea unui sistem de control joacă un rol important, deoarece multe cantități, în special pentru tensiunea arterială în scurtcircuit, nu pot fi măsurate. În plus, această alegere afectează semnificativ complexitatea funcțiilor de transfer de sistem, uneori crescând ordinea ecuațiilor de mai multe ori.

Pentru a construi un sistem de control vectorial IM, trebuie să selectați vectorul în raport cu care va fi orientat sistemul de coordonate și expresia corespunzătoare pentru cuplul electromagnetic și apoi să determinați cantitățile incluse în acesta din ecuațiile pentru stator și/sau circuitul rotorului (2):

, (2, a)

, (2, b)

unde este tensiunea înfășurărilor statorului în formă vectorială; - rezistenta activa a infasurarilor statorului si rotorului; componentele sunt asociate cu modificări ale legăturii fluxului în timp datorită modificărilor curenților în timp și sunt numite transformare EMF, prin analogie cu procesele de excitare a acestuia în mașina electrică corespunzătoare; componentele , - sunt asociate cu o modificare a legăturii fluxului din cauza rotației rotorului și sunt numite fem de rotație.

Dacă selectăm legătura fluxului rotorului ca vector de referință și orientăm sistemul de coordonate de-a lungul acestuia, astfel încât axa sa reală să coincidă cu direcția , atunci frecvența unghiulară de rotație a sistemului de coordonate va fi egală cu frecvența unghiulară a sursei statorului, de cand Vectorii de flux ai statorului și rotorului se rotesc la aceeași frecvență. Utilizarea vectorului de legătură de flux al rotorului oferă teoretic o capacitate de suprasarcină mai mare a IM.

În acest caz, proiecțiile vectorului curent al statorului, ținând cont de faptul că , sunt egale cu:

(3)

unde este constanta de timp electromagnetică a rotorului.

Să exprimăm legătura fluxului și frecvența unghiulară a rotorului:

(4)

Astfel, folosind proiecția curentului statorului, legătura fluxului rotor poate fi controlată, iar funcția de transfer a acestui canal corespunde unei legături aperiodice cu o constantă de timp egală cu constanta de timp a rotorului; iar cu ajutorul proiecției este posibilă controlul independent și fără inerție a frecvenței rotorului.

În acest caz, cuplul electromagnetic al IM poate fi determinat prin cunoașterea frecvenței curenților rotorului pentru o anumită legătură de flux:

, (5)

Expresii - determinați relația dintre proiecțiile curentului statorului pe axele de coordonate, legătura fluxului, frecvența rotorului și cuplul electromagnetic al IM. Din expresia și ecuația mișcării rezultă că cuplul poate fi controlat fără inerție prin două semnale de intrare: legătura de flux și frecvența rotorului. Aceste semnale sunt legate de proiecțiile vectorului curent al statorului prin expresii. Prin urmare, dispozitivul de control vectorial conține o unitate de decuplare a coordonatelor (RC), care efectuează transformări în conformitate cu expresiile (3), precum și un rotator care rotește vectorul curent al statorului în direcția opusă rotației rotorului IM. Semnalele de intrare pentru dispozitivul de control vor fi tensiunea rețelei liniare și frecvența tensiunii de alimentare, corespunzătoare legăturii fluxului și frecvenței rotorului. Denumirea blocului de decuplare de coordonate provine de la funcția sa de a genera semnale corespunzătoare proiecțiilor independente (decuplate, separate) ale vectorului curent al statorului (Figura 1).

Orez. 1. Schema bloc a blocului de decuplare de coordonate.

Din expresia cuplului electromagnetic (5) și ecuația generală a mișcării, putem obține funcția de transfer a IM prin canalul de control al frecvenței rotorului:

unde este constanta mecanică de timp. Această funcție de transfer este pe deplin în concordanță cu un motor de curent continuu, astfel încât construcția sistemelor de acționare electrică cu control vectorial al IM nu este diferită de acționările de curent continuu.

Trebuie remarcat faptul că dispozitivul de control își poate îndeplini funcțiile numai cu condiția ca parametrii IM incluși în funcțiile de transfer ale legăturilor sale să corespundă cu valorile adevărate, în caz contrar, legătura fluxului și frecvența rotorului în IM și în dispozitivul de control vor diferă unele de altele. Această împrejurare creează dificultăţi semnificative la implementarea în practică a sistemelor de control al vectorilor, deoarece parametrii tensiunii arteriale se modifică în timpul funcționării. Acest lucru se aplică în special valorilor rezistențelor active.

Descrierea matematică a transformărilor de coordonate

Dacă vectorul curent este prezentat într-un sistem de coordonate fix (a, b), atunci trecerea la un nou sistem de coordonate (x,y), rotit față de cel original cu un anumit unghi (Figura 2a), se realizează din următoarea relație a argumentelor numerelor complexe:

Sau (7)

Orez. 2. Vector curent generalizat în diverse sisteme de coordonate.

Pentru un sistem de coordonate care se rotește cu o frecvență unghiulară constantă, unghiul este egal cu .

Transformarea coordonatelor poate fi scrisă în formă extinsă după cum urmează:

De aici puteți găsi componentele vectorului sub formă de matrice:

, (9)

unde , sunt valorile instantanee ale curenților înfășurărilor corespunzătoare.

Un element necesar al sistemului de control vectorial IM este un rotator care transformă coordonatele vectoriale în conformitate cu expresia (9).

Pentru a transforma variabile din sistemul de coordonate (d,q) în sistemul de coordonate (a, b), folosim următoarele ecuații:

unde γ este unghiul de orientare a câmpului. Schema bloc a rotatorului este prezentată în Figura 3.

Orez. 3. Schema bloc a rotatorului.

Model matematic al tensiunii arteriale

Motorul asincron este modelat în sistemul de coordonate - α, β. Ecuațiile corespunzătoare acestui sistem de coordonate sunt descrise de sistemul de ecuații:

(11)

unde: , , , - componente ale vectorilor de legătură a fluxului statoric și rotor în sistemele de coordonate; , - componente ale vectorului tensiune statoric în sisteme de coordonate; - rezistenta activa a infasurarilor statorului si rotorului; - inductanțe totale ale înfășurărilor statorului și rotorului (17), (18);- coeficienții de cuplare electromagnetică ai statorului și rotorului (12), (13); p - numărul de perechi de poli; - viteza mecanica a rotorului; J este momentul de inerție al rotorului motorului; - momentul de rezistenta pe arborele motorului.

Valorile inductanțelor totale ale înfășurărilor și coeficienții de cuplare electromagnetică ai statorului și rotorului sunt calculate folosind formulele:

unde: - inductanța de scurgere; - inductanța circuitului de magnetizare,

unde: - rezistența inductivă la scurgere a înfășurărilor statorului și rotorului; - reactanţa inductivă a circuitului de magnetizare; f este frecvența tensiunii furnizate statorului.

Prin rezolvarea unui sistem de ecuații diferențiale în coordonate (11), este posibil să se obțină o caracteristică mecanică dinamică și caracteristici de timp ale variabilelor de stare (de exemplu, cuplul și viteza), care oferă o idee despre procesele care au loc în motor. . Componentele tensiunii furnizate înfășurării statorice a motorului se calculează prin formula:

(19)

unde U este valoarea efectivă a tensiunii furnizate statorului.

Rezolvarea ecuațiilor se reduce la integrarea părților stânga și dreaptă ale fiecărei ecuații diferențiale a sistemului:

(20)

Dependențe curente sunt calculate folosind ecuațiile:

(21)

Datele pașaportului AD DMT f 011-6у1 sunt prezentate în articol.

Figura 4 prezintă un model al unui IM controlat de curentul statorului într-un sistem de coordonate orientat de-a lungul legăturii fluxului rotorului.


Orez. 4. Model de control vectorial IM în mediul Simulink:

AD - motor asincron;

УУ - dispozitiv de control, inclusiv: RK - unitate de decuplare de coordonate, R - rotator;

N este sarcina, care ține cont și de rezistența lagărelor.

Modelul de control vectorial IM vă permite să monitorizați procesele electromagnetice care au loc într-un motor asincron în timpul funcționării acestuia.

Următorul grafic (Figura 5) prezintă caracteristicile mecanice ale unui motor electric cu control vectorial, obținute prin modelare, în comparație cu caracteristicile mecanice ale unui motor electric fără controler, obținute într-un experiment la scară reală.

Orez. 5. Compararea caracteristicilor mecanice.

După cum puteți vedea din grafic, cu control vectorial, caracteristica mecanică a unui motor asincron devine rigidă, drept urmare intervalul de suprasarcină se extinde. Valorile caracteristice în intervalul de la 0 la 153 Nm diferă ușor, eroarea este de doar 1,11%, prin urmare, modelul matematic rezultat reflectă în mod adecvat funcționarea unui motor real și poate fi utilizat pentru efectuarea de experimente în practica ingineriei.

Concluzie

Utilizarea controlului vectorial vă permite să controlați direct cuplul electromagnetic al motorului electric prin modificarea amplitudinii și fazei tensiunii de alimentare. Pentru a controla vectorial un motor asincron, trebuie mai întâi să-l reduceți la o mașină simplificată cu doi poli, care are două înfășurări pe stator și rotor, conform cărora există sisteme de coordonate asociate cu statorul, rotorul și câmpul. Controlul vectorial implică prezența unui model matematic al unui motor electric reglabil în legătura de control.

Caracteristicile mecanice obținute din funcționarea modelului descris confirmă informațiile teoretice despre controlul vectorial. Modelul este adecvat și poate fi folosit pentru experimente ulterioare.

Recenzători:

Shvetsov Vladimir Alekseevich, doctor în științe tehnice, profesor al Departamentului RES KamchatSTU, Petropavlovsk-Kamchatsky.

Potapov Vadim Vadimovici, doctor în științe tehnice, profesor al filialei Universității Federale din Orientul Îndepărtat, Petropavlovsk-Kamchatsky.

Link bibliografic

Lihodedov A.D., Portnyagin N.N. MODELAREA CONTROLULUI VECTORAL AL ​​UNEI ACȚIUNI ELECTRICE ASINCRONE // Probleme moderne de știință și educație. – 2013. – Nr. 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8213 (data acces: 18/03/2019). Vă aducem în atenție reviste apărute la editura „Academia de Științe ale Naturii”

Control vectorial

Control vectorial este o metodă de control al motoarelor sincrone și asincrone, nu doar generând curenți (tensiuni) armonici ai fazelor (control scalar), dar și asigură controlul fluxului magnetic al rotorului. Primele implementări ale principiului controlului vectorial și ale algoritmilor de înaltă precizie necesită utilizarea senzorilor de poziție (viteză) a rotorului.

În general, sub „ control vectorial„ se referă la interacțiunea dispozitivului de control cu ​​așa-numitul „vector spațial”, care se rotește cu frecvența câmpului motor.

Aparat matematic de control vectorial


Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „Controlul vectorial” în alte dicționare:

    Hârtie de calc cu el. Vektorregelung. O metodă de control a vitezei de rotație și/sau a cuplului unui motor electric folosind influența unui convertor de antrenare electrică asupra componentelor vectoriale ale curentului statorului motorului electric. În literatura în limba rusă în ... Wikipedia

    Soluția problemei de control optim a teoriei matematice, în care acțiunea de control u=u(t) se formează sub forma unei funcție a timpului (prin urmare se presupune că în timpul procesului nu există altă informație decât cea dată la inceputul intra in sistem...... Enciclopedie matematică

    - (acționare controlată în frecvență, PNC, Variable Frequency Drive, VFD) sistem pentru controlul vitezei rotorului a unui motor electric asincron (sau sincron). Este format din motorul electric în sine și un convertor de frecvență... Wikipedia

    Acest termen are alte semnificații, vezi CNC (sensuri). Se propune fuzionarea acestei pagini cu CNC. Explicarea motivelor și discuție pe pagina Wikipedia: Spre unificare/25 f... Wikipedia

    Statorul și rotorul unei mașini asincrone 0,75 kW, 1420 rpm, 50 Hz, 230-400 V, 3,4 2,0 ​​A O mașină asincronă este o mașină electrică cu curent alternativ ... Wikipedia

    - (DPR) parte a unui motor electric. La motoarele electrice cu comutator, senzorul de poziție a rotorului este o unitate de comutator cu perii, care este și un comutator de curent. La motoarele electrice fără perii, senzorul de poziție a rotorului poate fi de diferite tipuri... Wikipedia

    DS3 DS3 010 Date de bază Țara de construcție ... Wikipedia

    O mașină asincronă este o mașină electrică cu curent alternativ, a cărei viteză a rotorului nu este egală cu (mai mică decât) viteza de rotație a câmpului magnetic creat de curentul înfășurării statorului. Mașinile asincrone sunt cele mai comune electrice... ... Wikipedia

    Acest termen are alte semnificații, vezi Convertor de frecvență. Acest articol ar trebui să fie Wikified. Vă rugăm să-l formatați conform regulilor de formatare a articolelor... Wikipedia

    DS3 ... Wikipedia

Cărți

  • Controlul vectorial de economisire a energiei al motoarelor electrice asincrone: revizuirea stării și noi rezultate: Monografia, Borisevich A.V.. Monografia este dedicată metodelor de creștere a eficienței energetice a controlului vectorial al motoarelor electrice asincrone. Se ia în considerare modelul unui motor electric asincron și principiul vectorului...