Controlul vectorial (VC) se bazează pe faptul că nu este controlată doar mărimea (modulul) coordonatei controlate, ci și poziția sa spațială (vector) în raport cu axele de coordonate selectate.

Orez. 8.28 Schema de antrenare electrică de frecvență bazată pe AIT (a) și dependența curentului statorului de frecvența curentului în rotor (b).

Pentru implementarea unității de control, sunt monitorizate valorile instantanee ale legăturii de tensiune, curent și flux. Prin transformări matematice, un motor de inducție, caracterizat printr-un număr mare de conexiuni transversale neliniare, poate fi reprezentat printr-un model liniar cu două canale de control – cuplul și fluxul. O astfel de ușurință în control necesită transformări multiple ale coordonatelor EP, ceea ce nu reprezintă un obstacol, având în vedere nivelul actual de dezvoltare a tehnologiei MT.

Pentru a înțelege esența AC, vom folosi schema schematică a unei mașini generalizate cu două faze și doi poli (Fig. 8.29), la care o mașină simetrică cu o înfășurare a statorului cu fază m și o înfășurare rotor cu fază i. poate fi redus.

Orez. 8.29. Schema de schema a unei masini generalizate bipolare bifazate: 1 – stator; 2 – rotor

Să presupunem că sistemul de coordonate se rotește în spațiu cu axe reale și imaginare arbitrare, ecuațiile vor avea următoarea formă:

, (8.27)

unde u S , Ш,i S , i 2 ,ψ S , ψ 2 \j7-s>V2 sunt, respectiv, vectorii tensiunilor, curenților și legăturilor de flux ale statorului 1 și rotorului 2; j – desemnarea axei imaginare; Z n - – numărul de perechi de poli; L m – inductanța reciprocă între înfășurările statorului și rotorului; / 2 - vector complex conjugat i-i; 1t este partea imaginară a variabilei complexe ωyu k este viteza unghiulară a rotorului. Legăturile de flux sunt egale

, (8.29)

unde L s (L sa + L m) și L 2 (L 2<, +L m) – индуктивности фазных обмоток соответст-венно статора и ротора.

Orez. 8.30 Schema acționării electrice de frecvență bazată pe AIT (a) și dependența curentului statorului de frecvența curentului în rotor (b).

Ecuațiile (8.27) pot fi scrise folosind proiecții ale vectorilor generalizați pe axele de coordonate și, v, i.e. în formă scalară:

În funcție de variabilele de stare utilizate, ecuațiile cuplului pot avea forme diferite. Pe lângă ecuația de mai sus (8.28), se folosesc următoarele expresii pentru momentul electromagnetic:

Ecuațiile generalizate ale mașinii pentru sistemul de coordonate uv(8.27) pot fi scrise în orice sistem de coordonate. Alegerea axelor de coordonate depinde de tipul de mașină (sincronă, asincronă) și de scopurile studiului. Următoarele sisteme de coordonate și-au găsit aplicație: sistemul de coordonate fix ap (©к = 0); sistemul de coordonate sincron AC (soc = co) și sistemul de coordonate dq care se rotește cu rotorul (co k = co). Poziția relativă a vectorilor variabili ai tensiunii arteriale este prezentată în Fig. 8.30.

Trecerea de la ecuațiile unei mașini generalizate (8.27), (8.28) la ecuațiile unui IM trifazat real se realizează folosind ecuațiile transformărilor de coordonate e.9 M este unghiul cuplului, q> este unghiul dintre vectorii curent și tensiune). O, = în m + f - unghiul vectorului de tensiune (XY); 6« = 9„ + 8 V - unghi vectorial curent. Formulele pentru transformările de coordonate se obțin cu condiția ca puterea ambelor mașini să fie constantă. Ele pot fi obținute pentru orice variabilă înregistrată în orice axă.

Transformările unei mașini reale într-una generalizată se numesc directe, iar transformările unei mașini generalizate în una reală se numesc inverse. De exemplu, formulele de conversie directă a tensiunilor fazei statorice u sa , Шь, u sc la ecuațiile m, u$ din axele ap ale diagramei vectoriale au forma:

Pentru a lua în considerare controlul vectorial, este selectat un sistem de coordonate XY, care se rotește în spațiu la viteza câmpului, adică o) k = coo, aceasta din urmă este considerată ca fiind viteza vectorului de legătură a fluxului rotorului. \j/2- Vitezele de rotație ale vectorilor de legătură tensiune, curent și flux sunt aceleași numai în regimurile staționare, iar în procesele tranzitorii sunt diferite. Principiul controlului vectorial este că

Orez. 8.30. Poziția relativă a vectorilor variabilei ADVector diagramă: % = 8 2 + în r - unghi de curgere.

Formule de conversie inversă

Usb =(~Usa+A/ЗU45)/ 2, U sc =(-М yu -л/ЗUф)/ 2 . (8.33)

vectorul unei variabile (curent, tensiune etc.) este situat într-un anumit mod în spațiu. Cel mai eficient este să poziționați vectorul de legătură de flux vj7 2 de-a lungul axei reale X a sistemului de coordonate sincron care se rotește la viteza câmpului atunci . În acest caz, ecuațiile unui IM cu un rotor cu colivie de veveriță au forma

0= -ω 2 + R 2 K 2 i sy ,

M e = 3/2 Z II K 2 ψ 2 i sy . (8,34)

unde K2 = L s - Kg L m; Kg = b m / bg, cog = coo - frecvența de alunecare sau frecvența curentului rotorului Analizând ecuațiile (8.34), se poate observa o oarecare asemănare cu ecuațiile DMT: cuplul din (8.34) este proporțional cu cuplarea fluxului rotorului. componentă a vectorului curent al statorului i sy , iar cuplarea de curgere este proporțională cu componenta i sx /u. Acest lucru face posibilă, ca un DPT, controlul separat al debitului și al cuplului, de exemplu. principiul VU aduce tensiunea arterială cu variabilele sale sinusoidale mai aproape de DPT. VU permite utilizarea metodelor de control subordonate în sinteză, care sunt utilizate pe scară largă în EC DC. Diferența (nu în favoarea unității de control) este că controlul independent al debitului, cuplului și vitezei nu este efectuat de variabile reale ale motorului, ci convertit într-un sistem de coordonate diferit.

2. La o viteză de rotație de 810 min -1:

Diagrama funcțională a controlului vectorial al IM Fig. 8.31: z – sarcină; U – control; OS – feedback-ul vitezei; с – viteza; / I – curent; x, y – - apartenenţa variabilelor la un sistem de coordonate sincron; αа, β р – apartenența variabilelor la un sistem de coordonate fix; f – legătura de flux; a, bb, c – indici de fază.

Orez. 8.31.Diagrama funcțională a controlului vectorial IM

Circuitul se bazează pe principiul reglementării subordonate și conține trei circuite:

1) viteza (externă); conține un senzor de viteză BR și un regulator de viteză de rotație (cuplu) AR;

2) legătura de flux (flux magnetic) cu regulatorul de flux Av|/Uψ și canalul OS, care are o valoare de ieșire u;

3) componentele active și reactive 4e ale vectorului curent al statorului cu regulatoarele AA2 și AA1.

Semnalul OS pentru curentul statorului este realizat de un senzor de curent UA, care măsoară curenții de fază ai motorului în două faze, de exemplu A și B, și generează semnale u ia și ы, *. Pentru a converti aceste semnale într-un sistem de coordonate fix, utilizați convertorul funcțional U1, care funcționează în conformitate cu formulele (8.32) de transformări directe de coordonate cosф = U pho /U ph, care în convertorul A2 vă permit să treceți de la coordonatele fixe. a p αβ la coordonatele XY conform următoarelor formule:

u iβ =1/√3 (u iα +u ib).

Legătura de flux poate fi măsurată folosind diferite dispozitive, de exemplu, o înfășurare de măsurare plasată în aceleași fante ca și înfășurarea de putere. Cei mai folosiți sunt senzorii Hall plasați în întrefierul motorului. Semnalele senzorului Uy sunt convertite în convertorul funcțional U2 conform formulelor (8.32) în semnale atât fa cât și Yfr ale unui sistem de coordonate fix. Valorile obținute trebuie convertite într-un sistem de coordonate XY care se rotește în spațiu la viteza câmpului motor.

În acest scop, un modul de legătură a fluxului rotorului este alocat în generatorul de pori D

sub forma unui semnal corespunzător și f

Semnalele de tensiune și fa, «fr, Uix, u iy sunt proporționale cu mărimile fizice corespunzătoare.

Diferența dintre semnalele de setare a legăturii de flux m zf și OS m f este furnizată la intrarea regulatorului de legătură de flux UψАу, adică. "u.F = "z.f - m F, iar la ieșire Ау este generat un semnal pentru a seta curentul statorului de-a lungul axei X, adică u 3 ix, diferența de semnal u 3 ix - Uix, care trece prin regulatorul de curent AA1 în semnal și* s Transformări similare au loc în canalul de control de-a lungul axei Y, cu excepția faptului că aici este instalat un regulator de viteză (cuplu) AR, al cărui semnal de ieșire este împărțit la semnalul modulului de legătură de flux Uψм f la. obțineți un semnal de comandă de curent de-a lungul axei Y La ieșirea regulatorului AA2 a componentei curentului statorului de-a lungul axei G se generează un semnal u, care, împreună cu semnalul u*, este furnizat intrărilor blocului A1. , care operează în conformitate cu primele două ecuații (8.34) La ieșirea blocului A1, obținem semnalele convertite u x și y, în care nu există nicio influență reciprocă a circuitelor de control ale curenților componente de-a lungul XylY axele Semnalele de control x și y, înregistrate în sistemul de coordonate rotativ XY, în convertorul de coordonate A3 sunt convertite în semnale de control ale invertorului în sistemul de coordonate fix aB αβ conform ecuațiilor.

U ix = u iα cosφ + u iβ sinφ,;

U yα = u x cosφ - u y sinφ,

U yβ = u x cosφ - u y sinφ. (8,36)

Pentru a controla întrerupătoarele de putere ale invertorului într-un sistem de coordonate trifazat, este necesar, folosind răspunsul în frecvență, să se obțină semnalele uy a U Ua, U U b uy, U U c mu s în conformitate cu formulele de transformare inversă ( 8.33):

Datorită transformărilor coordonatelor, în sistemul de control vectorial CEP se disting două canale de control: legătura de flux (flux magnetic) și viteza de rotație (cuplu). În acest sens, sistemul de control vectorial este similar cu o unitate electrică de curent continuu cu control al vitezei în două zone.

Pentru transformarea repetată a coordonatelor EP în conformitate cu formulele de mai sus, sunt utilizate microcontrolere specializate din clasa DSP care funcționează în timp real. Acest lucru face posibilă obținerea de motoare electrice profund controlate cu viteză mare folosind un motor asincron cu colivie.

Există multe soluții structurale pentru controlul vectorial. Diagrama funcțională a VU AD Fig. 8.31 aparține clasei unității de control direct, în care cuplarea curentului (fluxul magnetic) este măsurată direct. Cu VU indirectă se măsoară poziția rotorului IM și parametrii electrici (curent, tensiune). Astfel de sisteme s-au răspândit din două motive:

1) măsurarea debitului necesită forță de muncă;

2) un senzor de poziție este necesar în multe dispozitive electronice industriale (de exemplu, dispozitive electronice de poziție ale mașinilor CNC și manipulatoarelor automate).

Dacă nu este necesară măsurarea poziției rotorului, se folosește o așa-numită unitate de control „fără senzor” (nu există senzor de poziție a rotorului), care necesită proceduri de calcul mai complexe.

Orez. 8.32. Schema de conectare a dispozitivului electronic complet.

Un motor electric cu VU oferă o gamă largă de control al vitezei (până la 10.000) și în multe cazuri înlocuiește un motor electric larg reglabil cu motoare cu colector de curent continuu.

Schema dispozitivului electronic complet Fig. 8.32 fabricat de multe întreprinderi conține: borne de putere: R, S, T (LI, L2, L3) – borne de putere; U, V, W (Tl, T2, ТЗ) – ieșire convertizor de frecvență; PD, P – conectarea inductorului în circuitul intermediar DC; P, RB – rezistență externă de frânare; P, N – modul extern de frânare; G–- împământare de protecție.

Borne de control: L – terminal „comun” pentru intrări și ieșiri analogice; N – alimentarea potențiometrului de setare a frecvenței; O – borna de setare a frecvenței de ieșire a tensiunii; 01, 02 – borna suplimentara pentru setarea frecventei de iesire in functie de curent si tensiune; AM – ieșire în impuls (tensiune); AMI – ieșire analogică (curent); P24 – borna de alimentare; SM1, PS, 12C, AL0 – terminal „comun”; PLC – terminal comun pentru alimentare externă; FW–- rotație înainte; 1, 2, 3, 4, 5 – intrări discrete programabile; PA – terminalul ieșirii programabile 11; 12A – borna ieșirii programabile 12; AL1, AL2 – releu de alarma; TN – intrare termistor.

Borne de control: L - terminal „comun” pentru intrări și ieșiri analogice; N - alimentarea potențiometrului de setare a frecvenței; O - borna de setare a frecvenței de ieșire a tensiunii; 01, 02 - terminal suplimentar pentru setarea frecvenței de ieșire în funcție de curent și tensiune; AM - ieșire impuls (tensiune); AMI - ieșire analogică (curent); P24 - borna de alimentare; SM1, PS, 12C, AL0 - terminal „comun”; PLC - terminal comun pentru alimentare externă; FW - rotație înainte; 1, 2, 3, 4, 5 - intrari discrete programabile; PA - terminalul ieșirii programabile 11; 12A - borna ieșirii programabile 12; AL1, AL2 - releu de alarma; TN - intrare termistor.

Întrebări de control

1. Arătați câmpul magnetic rotativ cu o alimentare simetrică cu un număr de faze altul decât trei, de exemplu, cu m = 2, m = 6.

2. Care sunt consecințele negative ale controlului vitezei prin tensiune în circuitul statorului în timpul funcționării continue?

3. Pentru ce mecanisme este de preferat reglarea vitezei prin schimbarea tensiunii?

4. Din ce motiv este cel mai economic controlul în frecvență al vitezei IM?

5. Ar trebui reglată tensiunea la reglarea frecvenței și de ce?

6. Ce restricții există la reglarea frecvenței tensiunii arteriale peste valoarea nominală?

7. Ce tipuri de convertoare de frecvență pentru sursa IM cunoașteți? Dați formele de undă ale tensiunii de pe motor.

8. Ce metode de comutare a tiristoarelor cunoașteți?

9. În ce moduri este reglată tensiunea convertoarelor statice?

10. Care este diferența semnificativă dintre invertoarele de curent și de tensiune?

11. Este posibilă frânarea regenerativă într-un sistem de transmisie a frecvenței? Ce este necesar pentru aceasta în sistemul AIN-BP și sistemul NPC-BP?

12. Este posibil să se obțină o frecvență de alimentare IM mai mare decât frecvența rețelei în sistemul NPCH-IM?

13. Ce dispozitive electronice complete de frecvență cunoașteți?

14. Care este scopul unui condensator în circuitul continuu într-un convertor de frecvență bazat pe un invertor de tensiune autonom atunci când funcționează pe IM?

15. Comparați valoarea factorului de putere pentru un motor electric de frecvență cu puterea motorului când este alimentat de un invertor de tensiune autonom și pentru puterea motorului când este alimentat de la rețea (la aceleași valori de frecvență și sarcină).

16. Ce sisteme de coordonate sunt folosite în controlul vectorial?

17. De ce este necesară convertirea variabilelor dintr-un sistem de coordonate în altul în control vectorial?

18. Este posibil controlul vectorial fără senzori de flux magnetic IM?

19. Desenați o schemă a regulatorului de tensiune tiristor - - sistem de motor electric asincron (sistem TRN - - IM).

20. Cum se vor schimba caracteristicile mecanice ale IM atunci când se schimbă unghiul de control al TPH?

21. În ce limite se poate modifica momentul de rezistență pe arborele motorului electric din sistemul TRN- – IM? Desenați o zonă aproximativă a valorilor sale permise pe graficele caracteristicilor mecanice.

22. Desenați o diagramă pentru conectarea unui rezistor suplimentar la circuitul rotor al IM în timpul reglării impulsului.

23. Cum se modifică pierderile de energie în IM cu controlul impulsului rezistorului suplimentar la reglarea vitezei IM?

24. Desenați o vedere aproximativă a caracteristicilor mecanice ale IM cu controlul impulsului rezistorului suplimentar la diferite valori ale ciclului de lucru de comutare a tiristorului.

25. Explicați principiul de funcționare a unei cascade de supape asincrone (AVC).

26. Arată pe grafic cum se vor schimba caracteristicile mecanice ale AVK atunci când unghiul de avans al invertorului se schimbă.

27. Cum ar trebui să se schimbe tensiunea pe statorul IM atunci când frecvența se modifică în cazul diferitelor legi pentru modificarea momentului de rezistență cu viteza?

28. Afișați o vedere aproximativă a caracteristicilor mecanice pentru controlul vitezei în frecvență în cazul în care cuplul rezistiv nu depinde de turație.

29. Numiți ce tipuri de TFC sunt utilizate pentru reglarea frecvenței vitezei tensiunii arteriale. În cazul în care TFC, este posibilă reglarea vitezei numai în zona valorilor sale scăzute.

30. Care este sensul „controlului vectorial” al IM?

33. Un IM trifazat cu 4 poli, a cărui înfășurare a statorului este conectată într-o „stea”, are următoarele date nominale: P 2 = 11,2 kW, p = 1500 min -1, U = 380 V, f = 50 Hz. Parametrii motorului sunt dați: r=0,66 Ohm; r 2 ' = 0,38 Ohm, x = 1,14 Ohm, x "2 = 1,71 Ohm, x m = 33,2 Ohm. Motorul este reglat prin modificarea simultană a tensiunii și a frecvenței. Raportul tensiune-frecvență este menținut constant și egal cu raportul valorile nominale.

34. Calculati momentul maxim M max si cel corespunzator; viteza w max pentru frecvențele 50 și 30 Hz.

35.Repetați pasul 1, neglijând rezistența statorului (r = 0).

În zilele noastre, controlul vitezei motoarelor de curent alternativ folosind convertoare de frecvență este utilizat pe scară largă în aproape toate industriile.

În practică, sistemele de control al vitezei pentru motoarele trifazate de curent alternativ sunt utilizate pe baza a două principii de control diferite:
2. Controlul vectorial.

Metode de control utilizate în convertizoarele de frecvență pentru controlul motoarelor de curent alternativ

În zilele noastre, controlul vitezei motoarelor de curent alternativ folosind convertoare de frecvență este utilizat pe scară largă în aproape toate industriile. Acest lucru se datorează în primul rând realizărilor mari în domeniul electronicii de putere și al tehnologiei microprocesoarelor, pe baza cărora au fost dezvoltate convertoare de frecvență. Pe de altă parte, unificarea producției de convertoare de frecvență de către producători a făcut posibilă influențarea semnificativă a costului acestora și să-i facă să se plătească singuri în perioade destul de scurte de timp. Economisirea resurselor de energie atunci când se utilizează convertoare pentru controlul motoarelor asincrone, în unele cazuri, poate ajunge la 40% sau mai mult.
În practică, sistemele de control al vitezei pentru motoarele trifazate de curent alternativ sunt utilizate pe baza a două principii de control diferite:
1. Control U/f (control volt-frecvență sau scalar);
2. Controlul vectorial.

Controlul vitezei U/f al acționării electrice asincrone

Controlul scalar sau controlul V/f al unui motor asincron este o modificare a vitezei motorului prin influențarea frecvenței tensiunii pe stator, modificând simultan și mărimea acestei tensiuni. Cu reglarea V/f, frecvența și tensiunea acționează ca două acțiuni de control, care sunt de obicei reglate împreună. În acest caz, frecvența este considerată o influență independentă, iar valoarea tensiunii la o anumită frecvență este determinată pe baza modului în care ar trebui să se schimbe tipul de caracteristici mecanice ale unității atunci când frecvența se schimbă, adică cum ar trebui să se schimbe momentul critic în funcție de asupra frecventei. Pentru a implementa o astfel de lege de control, este necesar să se asigure constanța raportului U/f=const, unde U este tensiunea pe stator și f este frecvența tensiunii statorului.
La capacitate de suprasarcină constantă, factorul de putere nominală și eficiența a motorului pe întreaga gamă de control al vitezei de rotație practic nu se schimbă.
Legile reglementării U/f includ legi referitoare la mărimile și frecvențele tensiunii care alimentează motorul (U/f=const, U/f2=const și altele). Avantajul lor este capacitatea de a controla simultan un grup de motoare electrice. Controlul scalar este utilizat pentru majoritatea aplicațiilor practice ale convertizoarelor de frecvență cu o gamă de control al vitezei motorului fără utilizarea unui senzor de feedback până la 1:40. Algoritmii de control scalar nu permit monitorizarea și controlul cuplului motorului electric, precum și modul de poziționare. Cea mai eficientă zonă de aplicare a acestei metode de control: ventilatoare, pompe, transportoare etc.

Control vectorial

Controlul vectorial este o metodă de control al motoarelor sincrone și asincrone, care nu numai că generează curenți armonici și tensiuni de fază (control scalar), dar oferă și controlul fluxului magnetic al motorului. Controlul vectorial se bazează pe ideea tensiunilor, curenților și legăturilor de flux ca vectori spațiali.
Principiile de bază au fost dezvoltate în anii 70 ai secolului XX. Ca rezultat al cercetărilor teoretice fundamentale și al succeselor în domeniul electronicii semiconductoare de putere și al sistemelor cu microprocesoare, astăzi au fost dezvoltate acționări electrice cu control vectorial, care sunt produse în serie de producătorii de echipamente de antrenare din întreaga lume.
Cu controlul vectorial într-o acționare electrică asincronă în procesele tranzitorii, este posibil să se mențină o legătură constantă a fluxului rotor, spre deosebire de controlul scalar, unde legătura fluxului rotor în procesele tranzitorii se modifică atunci când curenții statorului și rotorului se modifică, ceea ce duce la o scăderea vitezei de modificare a cuplului electromagnetic. Într-un sistem de acţionare cu control vectorial, în care legătura fluxului rotorului poate fi menţinută constantă, cuplul electromagnetic se modifică la fel de repede pe cât se modifică componenta curentului statorului (analog cu schimbarea cuplului atunci când curentul armăturii se modifică într-o maşină de curent continuu).
Cu controlul vectorial, legătura de control implică prezența unui model matematic al unei acționări electrice reglabile. Modurile de control vectorial pot fi clasificate după cum urmează:
1. În funcție de acuratețea modelului matematic al motorului electric utilizat în legătura de control:
. Utilizarea unui model matematic fără măsurători suplimentare de clarificare de către dispozitivul de control al parametrilor motorului electric (se folosesc doar datele tipice ale motorului introduse de utilizator);
Utilizarea unui model matematic cu măsurători suplimentare de clarificare de către un dispozitiv de control al parametrilor motorului electric, de ex. rezistențele active și reactive ale statorului/rotorului, tensiunea și curentul motorului.
2. Pe baza prezenței sau absenței feedback-ului de viteză (senzor de viteză), controlul vectorial poate fi împărțit în:
Controlul motorului fără feedback al vitezei – în acest caz, dispozitivul de control utilizează date dintr-un model matematic al motorului și valori obținute prin măsurarea curentului stator și/sau rotor;
Controlul motorului cu feedback de turație - în acest caz, dispozitivul folosește nu numai valorile obținute prin măsurarea curentului statoric și/sau rotor al motorului electric (ca în cazul precedent), ci și date privind turația rotorului (poziție) de la senzor, care în unele sarcini de control vă permite să creșteți precizia setării vitezei (poziției) a acționării electrice.

Legile de bază ale controlului vectorial includ următoarele:
A. Legea care asigură constanța legăturii fluxului magnetic al statorului ψ1 (corespunzător constanței lui Evnesh /f).
b. Legea care asigură constanța legăturii fluxului magnetic al întrefierului ψ0 (constanța E/f);
V. Legea care asigură constanța legăturii fluxului magnetic al rotorului ψ2 (constanța lui Evnut/f).
Legea menținerii unei legături constante a fluxului stator este implementată prin menținerea unui raport constant între fem-ul statorului și frecvența unghiulară a câmpului. Principalul dezavantaj al acestei legi este capacitatea redusă de suprasarcină a motorului atunci când funcționează la frecvențe înalte. Acest lucru se datorează unei creșteri a reactanței inductive a statorului și, în consecință, unei scăderi a legăturii fluxului în spațiul de aer dintre stator și rotor pe măsură ce sarcina crește.
Menținerea unui flux principal constant crește capacitatea de suprasarcină a motorului, dar complică implementarea hardware a sistemului de control și necesită fie modificări ale designului mașinii, fie prezența unor senzori speciali.
Când se menține o legătură constantă a fluxului rotorului, cuplul motorului nu are un maxim, totuși, pe măsură ce sarcina crește, fluxul magnetic principal crește, ducând la saturarea circuitelor magnetice și, în consecință, la imposibilitatea menținerii unui flux constant al rotorului. legătura.

Evaluarea comparativă a legilor controlului vitezei de către o acţionare electrică asincronă prin modificarea frecvenţei tensiunii pe stator

Figura 1 prezintă rezultatele studiilor teoretice ale indicatorilor de energie ai unui motor asincron cu o putere de Рн = 18,5 kW sub diferite legi de control al frecvenței, care au fost efectuate în munca lui V.S. Petrushin și Ph.D. A.A. Tankov „Indicatori de energie ai unui motor asincron într-o unitate electrică de frecvență sub diferite legi de control.” Rezultatele experimentului efectuat la testarea acestui motor sunt prezentate și acolo (legea de control al frecvenței U/f = const). Motorul a funcționat la o sarcină cu un cuplu constant de 30,5 Nm în intervalul de turații 500 - 2930 rpm.
Comparând dependențele obținute, putem concluziona că în zona de viteză mică, atunci când se utilizează legile de control ale celui de-al doilea grup, eficiența este cu 7-21% mai mare, iar factorul de putere este cu 3-7% mai mic. Pe măsură ce viteza crește, diferențele scad.

Fig.1. Modificarea eficienței (a) și cosφ (b) în domeniul de control: 1 - dependențe experimentale; dependențe calculate pentru diferite legi de control: 2 - U/f = const, 3 - Evnesh /f = const, 4 - E/f= const, 5 - Evnesh /f= const.
Astfel, legile controlului vectorial oferă nu numai un control mai bun al acționării electrice în modurile statice și dinamice, ci și o creștere a eficienței motorului și, în consecință, a întregii unități. Cu toate acestea, toate legile care mențin o legătură constantă a fluxului au anumite dezavantaje.
Un dezavantaj comun al legilor care mențin legăturile fluxului constant este: fiabilitatea scăzută datorită prezenței senzorilor încorporați în motor și pierderile de oțel atunci când motorul funcționează cu un cuplu de sarcină mai mic decât cel nominal. Aceste pierderi sunt cauzate de necesitatea de a menține o legătură constantă a fluxului nominal în diferite moduri de funcționare.
Eficiența motorului poate fi crescută semnificativ prin reglarea fluxului magnetic al statorului (rotorului) în funcție de mărimea cuplului de sarcină (alunecare). Dezavantajele unui astfel de control sunt caracteristicile dinamice scăzute ale unității, datorită valorii mari a constantei de timp a rotorului, datorită căreia fluxul magnetic al mașinii este restabilit cu o oarecare întârziere și complexitatea implementării tehnice a controlului. sistem.
În practică, grupul de legi cu flux magnetic constant a devenit larg răspândit pentru acționările electrice dinamice care funcționează cu un moment constant de rezistență pe arbore și cu aplicații frecvente de sarcină de șoc. În timp ce un grup de legi cu reglarea fluxului magnetic în funcție de sarcina pe arbore este utilizat pentru acționări electrice cu dinamică scăzută și pentru acționări cu o sarcină „ventilator”.

• 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 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 cu 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 fazei 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 sinusoidal, i.e. 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 niciodată la ea. 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”, așa că 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, la fel ca rotorul, nu fugiți de ei, nici nu vor ști despre asta: toată munca de strunjirea 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, adăugați un alt bloc și schimbați 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 dvs. 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 un 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 toate aceste matematice. 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 operațional numai la viteze de rotație relativ mari, 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, viteza 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 avansa sau întârzia 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 comută lent fazele, 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 fie capabil să dezvolte 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: în interior, 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. Reglementare 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 senzorului 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

Cea mai cunoscută metodă de economisire a energiei este reducerea vitezei motorului AC. Deoarece puterea este proporțională cu cubul vitezei arborelui, o mică reducere a vitezei poate duce la economii semnificative de energie. Toată lumea înțelege cât de relevant este acest lucru pentru producție. Dar cum să realizezi acest lucru? Vom răspunde la aceasta și la alte întrebări, dar mai întâi să vorbim despre tipurile de control ale motoarelor asincrone.

Unitatea electrică AC este un sistem electromecanic care servește drept bază pentru majoritatea proceselor tehnologice. Un rol important în el revine convertorului de frecvență (FC), care joacă principalul „cântare al viorii principale a duetului” – motorul asincron (IM).

Un pic de fizică elementară

De la școală, avem o idee clară că tensiunea este diferența de potențial dintre două puncte, iar frecvența este o valoare egală cu numărul de perioade prin care curentul reușește să le treacă literalmente într-o secundă.

Ca parte a procesului tehnologic, este adesea necesară modificarea parametrilor de funcționare ai rețelei. În acest scop, există convertoare de frecvență: scalare și vectoriale. De ce se numesc asa? Să începem cu faptul că caracteristicile speciale ale fiecărui tip devin clare din numele lor. Să ne amintim elementele de bază ale fizicii elementare și să ne permitem să numim IF mai scurt pentru simplitate. „Vectornik” are o anumită direcție și se supune regulilor vectorilor. „Scalarnik” nu are nimic din toate acestea, așa că algoritmul de control al acestuia este în mod natural foarte simplu. Se pare că numele au fost hotărâte. Acum să vorbim despre modul în care diferitele mărimi fizice din formulele matematice sunt legate între ele.

Îți amintești că de îndată ce viteza scade, cuplul crește și invers? Aceasta înseamnă că cu cât rotația rotorului este mai mare, cu atât fluxul va trece prin stator mai mare și, în consecință, va fi indusă o tensiune mai mare.

Același principiu constă în principiul de funcționare în sistemele pe care le luăm în considerare, doar în „scalar” câmpul magnetic al statorului este controlat, iar în „vector” interacțiunea câmpurilor magnetice ale statorului și rotorului joacă un rol important. rol În acest din urmă caz, tehnologia face posibilă îmbunătățirea parametrilor tehnici ai funcționării sistemului de propulsie.

Diferențele tehnice între convertoare

Există multe diferențe, să le evidențiem pe cele mai elementare și fără o rețea științifică de cuvinte. Pentru un driver de frecvență scalar (fără senzor), relația U/F este liniară, iar domeniul de control al vitezei este destul de mic. Apropo, acesta este motivul pentru care la frecvențe joase nu există suficientă tensiune pentru a menține cuplul și, uneori, este necesară ajustarea caracteristicii tensiune-frecvență (VFC) la condițiile de funcționare, același lucru se întâmplă la o frecvență maximă peste 50 Hz. .

La rotirea arborelui într-o gamă largă de viteze și frecvență joasă, precum și îndeplinirea cerințelor pentru controlul automat al cuplului, este utilizată metoda de control vectorial cu feedback. Aceasta dezvăluie o altă diferență: scalarul nu are de obicei un astfel de feedback.

Ce situații de urgență să alegeți? Aplicarea unuia sau altuia dispozitiv este ghidată în principal de domeniul de utilizare al acționării electrice. Cu toate acestea, în cazuri speciale, alegerea tipului de convertizor de frecvență devine fără alegere. În primul rând: există o diferență clară, vizibilă de preț (cele scalare sunt mult mai ieftine, nu este nevoie de nuclee de calcul scumpe). Prin urmare, producția mai ieftină depășește uneori procesul decizional. În al doilea rând: există domenii de aplicare în care doar utilizarea lor este posibilă, de exemplu, în liniile de transport, unde mai multe motoare electrice sunt controlate sincron de la unul (VFD).

Metoda scalară

O unitate electrică asincronă cu control scalar al vitezei (adică, VFC) rămâne cea mai comună astăzi. Baza metodei este că turația motorului este o funcție a frecvenței de ieșire.

Controlul scalar al motorului este alegerea optimă pentru cazurile în care nu există sarcină variabilă și nu este nevoie de o dinamică bună. Scalarul nu necesită senzori pentru a funcționa. Când utilizați această metodă, nu este nevoie de un procesor digital costisitor, așa cum este cazul controlului vectorial.

Metoda este adesea folosită pentru controlul automat al ventilatoarelor, compresoarelor și altor unități. Aici este necesar ca fie viteza de rotație a arborelui motorului să fie menținută folosind un senzor, fie un alt indicator specificat (de exemplu, temperatura lichidului, controlată. printr-un dispozitiv de urmărire adecvat).

Cu control scalar, modificarea frecvenței-amplitudine a tensiunii de alimentare este determinată de formula U/fn = const. Acest lucru permite un flux magnetic constant în motor. Metoda este destul de simplă, ușor de implementat, dar nu fără unele dezavantaje semnificative:

• Nu este posibil să se controleze simultan cuplul și viteza, astfel încât este selectată valoarea cea mai semnificativă din punct de vedere tehnologic;
• interval îngust de control al vitezei și cuplu scăzut la viteze mici;
• performanță slabă cu sarcină în schimbare dinamică.

Care este metoda vectorului?

Metoda vectorială

A apărut în procesul de îmbunătățire și este utilizat atunci când este necesar să se realizeze viteza maximă, reglarea într-o gamă largă de viteze și controlabilitatea cuplului pe arbore.

În cele mai recente modele de acționări electrice, în sistemul de control (CS) de acest tip este introdus un model matematic al motorului, care este capabil să calculeze cuplul motorului și viteza de rotație a arborelui. În acest caz, este necesară doar instalarea senzorilor de curent de fază a statorului.

Astăzi au un număr suficient de avantaje:

• precizie ridicată;
• fără smucire, rotație lină a tensiunii arteriale;
• gamă largă de reglementări;
• răspuns rapid la modificările de încărcare;
• asigurarea modului de funcționare al motorului, în care pierderile datorate încălzirii și magnetizării sunt reduse, iar acest lucru duce la o creștere prețuită a eficienței!

Avantajele sunt, desigur, evidente, dar metoda controlului vectorial nu este lipsită de dezavantaje, cum ar fi complexitatea de calcul și necesitatea cunoașterii indicatorilor tehnici ai motorului. În plus, se observă amplitudini mai mari ale fluctuațiilor de viteză decât în ​​„scalar” sub sarcină constantă. Sarcina principală în fabricarea unui convertor de frecvență („vector”) este de a furniza un cuplu mare la viteză mică de rotație.

Diagrama unui sistem de control vectorial cu o unitate de modulație a lățimii impulsului (PWM) arată cam așa:

În diagrama prezentată, obiectul controlat este un motor asincron conectat la un senzor (DS) de pe arbore. Blocurile ilustrate sunt de fapt verigă din lanțul sistemului de control implementat pe controler. Blocul BZP stabilește valorile variabilelor. Blocurile logice (BRP) și (BVP) reglează și calculează variabilele ecuației. Controlerul în sine și alte părți mecanice ale sistemului sunt amplasate în dulapul electric.

Opțiune cu microcontroler de frecvență

Convertorul de frecvență curent/tensiune este proiectat pentru reglarea lină a cantităților de bază, precum și a altor indicatori de funcționare a echipamentului. Funcționează ca un „scalar” și un „vector” în același timp, folosind modele matematice programate în microcontrolerul încorporat. Acesta din urmă este montat într-un panou special și este unul dintre nodurile rețelei de informații ale sistemului de automatizare.

Controlerul bloc/convertorul de frecvență este cea mai recentă tehnologie din circuitul cu acestea, se folosesc inductori, care reduc intensitatea zgomotului de intrare; Trebuie remarcat faptul că în străinătate se acordă o atenție deosebită acestei probleme, în practica internă, utilizarea filtrelor EMC rămâne încă o verigă slabă, deoarece nu există nici măcar un cadru de reglementare sensibil. Folosim filtrele în sine mai des acolo unde nu sunt necesare și acolo unde este cu adevărat nevoie de ele, din anumite motive de care sunt uitate.

Concluzie

Faptul este că un motor electric în funcționare normală din rețea tinde să aibă parametri standard, acest lucru nu este întotdeauna acceptabil. Acest fapt este eliminat prin introducerea diferitelor mecanisme de angrenare pentru a reduce frecvența la cea necesară. Astăzi s-au format două sisteme de control: un sistem fără senzori și un sistem cu senzori cu feedback. Principala lor diferență este precizia controlului. Cel mai precis, desigur, este al doilea.

Cadrul existent este extins prin utilizarea diferitelor sisteme moderne de control IM, oferind o calitate îmbunătățită a reglementării și o capacitate mare de suprasarcină. Acești factori sunt de mare importanță pentru producția rentabilă, durata de viață lungă a echipamentelor și consumul economic de energie.

Diferențele tehnice între frecvențele vectoriale și scalare

convertoare

Întrebare: Convertizoare vectoriale și scalare de frecvență sunt disponibile pe piață și

cele vectoriale sunt semnificativ mai scumpe. Care sunt diferențele tehnice dintre ele?

Întrebarea nu este atât de simplă încât să se poată răspunde într-o manieră monosilabică. Termenii în sine

„vector” și „scalar” sunt imprecise atunci când sunt aplicate caracteristicii

convertoare de frecvenţă. Întrucât vorbim în esență de un parametru variabil

curent, atunci utilizarea termenului „scalar” este în general inacceptabilă. De la cursul elementar

fizicienii sunt bine conștienți de faptul că o mărime scalară este o astfel de cantitate, fiecare valoarecare (spre deosebire de un vector) poate fi exprimat printr-un singur număr (real),

Ca rezultat, setul de valori scalare poate fi reprezentat pe o scară liniară (scara- de unde și numele). Lungimea, aria, timpul, temperatura etc. sunt mărimi scalare.Mărimile vectoriale, sau vectorii, sunt mărimi care au și un număr numeric

sens și direcție. În acest sens, împărțirea convertoarelor de frecvență în scalare

și vector sunt în principiu incorecte și reflectă dorința managerilor de tranzacționare

companiilor să justifice prețuri mai mari pentru unul dintre tipurile de convertoare, se presupuneavând superioritate asupra altuia.

În ceea ce privește partea tehnică a problemei, este după cum urmează.

Principala modalitate de a regla cuplul pe arborele motorului electric este

modificarea frecvenței și mărimii curentului înfășurărilor statorului, ceea ce duce la o modificare a puterii acestuia

câmp magnetic rotativ. Majoritatea convertoarelor de frecvență sunt proiectate astfel

într-un mod care să permită utilizatorului să personalizeze caracteristicile ieșirii

parametrii electrici pentru un anumit tip de echipament. De exemplu, în funcție de

se poate da mărimea momentului de inerţie al echipamentului acţionat

caracteristicile curentului de ieșire al convertorului: liniar, parabolic sauvedere hiperbolica.

Deci, dacă este necesar să se deplaseze o masă grea pe un condus

transportor, caracteristica curentului de ieșire ar trebui să primească o formă hiperbolică. Este recomandabil să conduceți pompele de apă și ventilatoarele într-o direcție parabolică

curbă, care economisește energie. Aproape toată lumea lucrează conform acestui algoritm.

convertoare de frecvență, denumite prin termenul incorect „scalar”, un nume mai precis al cărora ar fi: „convertoare de frecvență cu frecvență și curent de ieșire presetate”.

Un alt mijloc eficient de creștere a cuplului pe arborele motorului electric este

utilizarea celei de-a treia armonice a curentului de ieșire, al cărei vector, precum și multiplii acestuia, este mai mult

armonici mari, se rotește în aceeași direcție cu vectorul curent armonic fundamental (50

Hz), adică are o secvență directă. Alții se rotesc în sens opus

și au secvența inversă. Curentul total de neutru, calculat prin formula:

controlul parametrilor curentului de ieșire și anume:

1)Convertoare cu parametri de curent de ieșire preconfigurați.

Folosit în majoritatea unităților industriale generale, ambele cu feedback

controlul unui parametru tehnologic și fără acesta, inclusiv acționările pompei,

ventilatoare, transportoare, transportoare, extrudere, inclusiv simple șisisteme cu mai multe motoare.

2)Convertoare cu reglare dinamică a parametrilor curentului de ieșire. Folosit în acționările cu un singur motor de înaltă precizie tehnologică

echipamente. Acestea pot fi cu sau fără feedback pentru a controla poziția rotorului motorului. În ceea ce privește controlul preciziei și adâncimii vitezei de rotație, acestea sunt oarecum superioare convertoarelor de primul tip, dar semnificativ inferioare servo-urilor.

În ceea ce privește problema în ansamblu, trebuie avut în vedere că pentru a rezolva probleme specifice înzone ale acționării controlate, motoare electrice corespunzătoare cu propriile lor

sisteme de control - motoare pas cu controlere, servomotoare cu controlere,

Motoare de curent continuu cu controlere si in final asincrone si sincrone

motoare electrice cu convertoare de frecvență. Încercările de a crea o unitate universală

sunt în mod evident sortite eșecului, deoarece diferențele de design dintre unități

sunt prea mari, iar sarcinile rezolvate de unități sunt pur și simplu incomparabile. Nu pot creade la un motor asincron un servomotor, iar de la un motor sincron un pas, chiar dacă este încorporat înare cincizeci de poli.

Ce să fac? Totul ingenios este simplu - este suficient să proiectați corect unitatea cu

ținând cont de cuplul necesar pe arbore în domeniul de frecvență cel mai nefavorabil

rotație și încredințați controlul parametrului tehnologic controlerului PID, care se găsește în majoritatea convertoarelor scalare. autorul articolului

cele mai moderne așa-zise convertoare „scalare”.