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Al diseñar el control de frecuencia de un propulsor eléctrico, existe la necesidad de construir modelos adecuados que tengan plenamente en cuenta las características específicas de los procesos electromecánicos en curso en el motor. Para probar los modelos, es necesario compararlos con un proceso implementado físicamente en equipos reales; en este sentido, es necesario determinar los parámetros de los motores eléctricos reales para verificar la idoneidad del modelo. El artículo describe un modelo matemático de control vectorial de un motor eléctrico asíncrono. El modelo le permite monitorear los procesos electromecánicos en un motor eléctrico durante su funcionamiento. Se obtuvieron gráficas de procesos transitorios mecánicos y eléctricos que caracterizan el arranque de un motor eléctrico. Se ha construido una característica mecánica del motor eléctrico con control vectorial, mostrando claramente el aumento en el rango de carga. Se evaluó la adecuación del modelo. Los experimentos matemáticos y la creación de modelos se realizaron en el entorno de simulación gráfica Simulink, una aplicación del paquete Matlab.

inversor

modelo matemático

características mecánicas

control de vectores

motor asincrónico

1. Vinogradov A.B. Control vectorial de accionamientos eléctricos de CA / Universidad Estatal de Energía de Ivanovo que lleva el nombre de V.I. Lenin". – Ivánovo, 2008. – 297 p.

2. Likhodedov A.D. Construcción de las características mecánicas de un motor asíncrono y su prueba // Problemas modernos de la ciencia y la educación. – 2012. – N° 5. – URL: http://www..09.2012).

3. Usoltsev A.A. Control vectorial de motores asíncronos: un libro de texto sobre disciplinas del ciclo electromecánico. – San Petersburgo, 2002.

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

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Desarrollo de accionamiento eléctrico asíncrono con control vectorial.

Se acostumbra distinguir entre dos métodos principales para controlar accionamientos eléctricos de CA que utilizan convertidores de frecuencia semiconductores como convertidores de energía: frecuencia y vector.

Con el control de frecuencia, una de las leyes estáticas del control de frecuencia se implementa en el accionamiento eléctrico (por ejemplo, , etc.). A la salida del sistema de control se genera una tarea para la frecuencia y amplitud de la tensión de salida del inversor. El ámbito de aplicación de dichos sistemas: accionamiento eléctrico asíncrono, que no tiene mayores requisitos estáticos y dinámicos, ventiladores, bombas y otros mecanismos industriales en general.

Con el control vectorial el control se realiza en base a los valores instantáneos de las variables. En los sistemas vectoriales digitales, el control se puede realizar utilizando variables equivalentes (promediadas sobre el intervalo discreto de control).

En 1971, Blaschke propuso el principio de construir un sistema de control para un motor asíncrono, que utilizaba un modelo vectorial del motor con la orientación del sistema de coordenadas a lo largo del varillaje de flujo del rotor. Este principio también se denomina control directo del par. El control vectorial le permite aumentar significativamente el rango de control, la precisión del control y aumentar la velocidad del accionamiento eléctrico. Este método proporciona control directo del par del motor.

El par está determinado por la corriente del estator, que crea un campo magnético excitante. Al controlar directamente el par, es necesario cambiar, además de la amplitud, la fase de la corriente del estator, es decir, el vector de corriente. De aquí proviene el término “control de vectores”.

Para controlar el vector de corriente y, en consecuencia, la posición del flujo magnético del estator con respecto al rotor giratorio, es necesario conocer la posición exacta del rotor en cualquier momento. El problema se resuelve utilizando un sensor de posición del rotor externo o determinando la posición del rotor mediante cálculos que utilizan otros parámetros del motor. Como parámetros se utilizan las corrientes y tensiones de los devanados del estator.

Menos costoso es un variador de frecuencia con control vectorial sin sensor de retroalimentación de velocidad, pero el control vectorial requiere un gran volumen y alta velocidad de cálculos por parte del convertidor de frecuencia. Además, para el control directo del par a velocidades de rotación bajas, cercanas a cero, es imposible el funcionamiento de un accionamiento eléctrico de frecuencia variable sin retroalimentación de velocidad. El control vectorial con un sensor de retroalimentación de velocidad proporciona un rango de control de hasta 1:1000 y superior, la precisión del control de velocidad es de centésimas de porcentaje y la precisión del par es de unos pocos por ciento.

El suministro de energía del IM y SM en modo de control vectorial se realiza desde un inversor, que puede proporcionar la amplitud y posición angular requeridas del vector de voltaje (o corriente) del estator en cualquier momento. La amplitud y la posición del vector de enlace del flujo del rotor se miden utilizando un observador (un aparato matemático que permite restaurar parámetros no medidos del sistema). Dependiendo de las condiciones de funcionamiento del accionamiento eléctrico, es posible controlar el motor eléctrico tanto en modos con precisión normal como en modos con mayor precisión en el procesamiento de la tarea de velocidad o par. Por ejemplo, un convertidor de frecuencia proporciona una precisión de mantenimiento de la velocidad de rotación de ±2-3% en modo U/f, con control vectorial sin sensor de velocidad de ±0,2%, con control vectorial completo con sensor de velocidad una precisión de ± Se proporciona el 0,01%.

Principio general del control vectorial de la MI.

En el futuro, utilizaremos los siguientes índices de sistemas de coordenadas: a-b - sistema de coordenadas fijo (), orientado a lo largo del eje de la fase a del devanado del estator; x-y - sistema de coordenadas que gira sincrónicamente con el rotor () y está orientado a lo largo del eje de fase a de su devanado; d-q - sistema de coordenadas que gira sincrónicamente con el varillaje de flujo del rotor () y está orientado en su dirección; m-n es un sistema de coordenadas orientado arbitrariamente que gira a una velocidad arbitraria.

El principio general de modelar y construir un sistema de control IM es que para ello se utiliza un sistema de coordenadas, orientado constantemente en la dirección de cualquier vector que determine el par electromagnético. Entonces la proyección de este vector sobre el otro eje de coordenadas y el término correspondiente en la expresión del par electromagnético será igual a cero, y formalmente toma una forma idéntica a la expresión del par electromagnético de un motor de CC, que es proporcional en magnitud a la corriente de armadura y al flujo magnético principal.

En el caso de la orientación del sistema de coordenadas a lo largo del varillaje de flujo del rotor ( ) el momento se puede representar como:

, (1)

donde es la inductancia de fuga del circuito del rotor, es la inductancia del circuito de magnetización, es el número de pares de polos y es la proyección de las corrientes del estator sobre los ejes del sistema de coordenadas.

Usando esta expresión, es posible, siempre que el enlace de flujo del rotor sea constante, controlar el par electromagnético cambiando la proyección de la corriente del estator sobre el eje transversal. La elección de la ecuación para construir un sistema de control juega un papel importante, porque Muchas cantidades, especialmente en el caso de la presión arterial en cortocircuito, no se pueden medir. Además, esta elección afecta significativamente la complejidad de las funciones de transferencia del sistema, aumentando a veces el orden de las ecuaciones varias veces.

Para construir un sistema de control vectorial IM, es necesario seleccionar el vector con respecto al cual se orientará el sistema de coordenadas y la expresión correspondiente para el par electromagnético, y luego determinar las cantidades incluidas en él a partir de las ecuaciones para el estator y/o circuito rotor (2):

, (2, a)

, (2,b)

¿Dónde está el voltaje de los devanados del estator en forma vectorial? - resistencia activa de los devanados del estator y del rotor; los componentes están asociados con cambios en la conexión de flujo a lo largo del tiempo debido a cambios en las corrientes a lo largo del tiempo y se denominan transformación EMF, por analogía con los procesos de su excitación en la máquina eléctrica correspondiente; componentes, - están asociados con un cambio en el enlace de flujo debido a la rotación del rotor y se denominan fem rotacional.

Si seleccionamos el enlace de flujo del rotor como vector de referencia y orientamos el sistema de coordenadas a lo largo de él de modo que su eje real coincida con la dirección , entonces la frecuencia angular de rotación del sistema de coordenadas será igual a la frecuencia angular de la alimentación del estator, desde Los vectores de flujo del estator y del rotor giran a la misma frecuencia. El uso del vector de enlace de flujo del rotor proporciona teóricamente una mayor capacidad de sobrecarga del IM.

En este caso, las proyecciones del vector de corriente del estator, teniendo en cuenta que , son iguales a:

(3)

¿Dónde es la constante de tiempo electromagnética del rotor?

Expresemos el enlace de flujo y la frecuencia angular del rotor:

(4)

Así, utilizando la proyección de la corriente del estator, se puede controlar el enlace de flujo del rotor, y la función de transferencia de este canal corresponde a un enlace aperiódico con una constante de tiempo igual a la constante de tiempo del rotor; y con la ayuda de la proyección es posible controlar de forma independiente y sin inercia la frecuencia del rotor.

En este caso, el par electromagnético del IM se puede determinar conociendo la frecuencia de las corrientes del rotor para un enlace de flujo determinado:

, (5)

Expresiones: determine la relación entre las proyecciones de la corriente del estator en los ejes de coordenadas, el enlace de flujo, la frecuencia del rotor y el par electromagnético del IM. De la expresión y ecuación del movimiento se deduce que el par puede controlarse sin inercia mediante dos señales de entrada: enlace de flujo y frecuencia del rotor. Estas señales están relacionadas con las proyecciones del vector de corriente del estator mediante expresiones. Por tanto, el dispositivo de control vectorial contiene una unidad de desacoplamiento de coordenadas (RC), que realiza transformaciones de acuerdo con las expresiones (3), así como un rotador que hace girar el vector de corriente del estator en la dirección opuesta a la rotación del rotor IM. Las señales de entrada para el dispositivo de control serán la tensión de la red lineal y la frecuencia de la tensión de alimentación, correspondientes al enlace de flujo y la frecuencia del rotor. El nombre del bloque de desacoplamiento de coordenadas proviene de su función de generar señales correspondientes a proyecciones independientes (desacopladas, separadas) del vector de corriente del estator (Figura 1).

Arroz. 1. Diagrama de bloques del bloque de desacoplamiento de coordenadas.

A partir de la expresión del par electromagnético (5) y la ecuación general de movimiento, podemos obtener la función de transferencia del IM a través del canal de control de frecuencia del rotor:

¿Dónde es la constante de tiempo mecánica? Esta función de transferencia es totalmente consistente con un motor de CC, por lo que la construcción de sistemas de accionamiento eléctrico con control vectorial de IM no es diferente de los accionamientos de CC.

Cabe señalar que el dispositivo de control puede realizar sus funciones sólo con la condición de que los parámetros IM incluidos en las funciones de transferencia de sus enlaces correspondan a los valores verdaderos; de lo contrario, el enlace de flujo y la frecuencia del rotor en el IM y en el dispositivo de control se alterarán. difieren entre sí. Esta circunstancia crea importantes dificultades a la hora de implementar sistemas de control de vectores en la práctica, porque Los parámetros de presión arterial cambian durante la operación. Esto se aplica especialmente a los valores de las resistencias activas.

Descripción matemática de transformaciones de coordenadas.

Si el vector actual se representa en un sistema de coordenadas fijo (a, b), entonces la transición a un nuevo sistema de coordenadas (x,y), girado con respecto al original en un cierto ángulo (Figura 2a), se realiza desde la siguiente relación de los argumentos de números complejos:

O (7)

Arroz. 2. Vector actual generalizado en varios sistemas de coordenadas.

Para un sistema de coordenadas que gira con una frecuencia angular constante, el ángulo es igual a.

La transformación de coordenadas se puede escribir en forma expandida de la siguiente manera:

Desde aquí puedes encontrar los componentes del vector en forma matricial:

, (9)

donde , son los valores instantáneos de las corrientes de los devanados correspondientes.

Un elemento necesario del sistema de control de vectores IM es un rotador que transforma las coordenadas vectoriales de acuerdo con la expresión (9).

Para transformar variables del sistema de coordenadas (d,q) al sistema de coordenadas (a, b), utilizamos las siguientes ecuaciones:

donde γ es el ángulo de orientación del campo. El diagrama de bloques del rotador se muestra en la Figura 3.

Arroz. 3. Diagrama de bloques del rotador.

Modelo matemático de presión arterial.

El motor asíncrono se modela en el sistema de coordenadas: α, β. Las ecuaciones correspondientes a este sistema de coordenadas se describen mediante el sistema de ecuaciones:

(11)

donde: , , , - componentes de los vectores de enlace de flujo del estator y del rotor en sistemas de coordenadas; , - componentes del vector de tensión del estator en sistemas de coordenadas; - resistencia activa de los devanados del estator y del rotor; - inductancias totales de los devanados del estator y del rotor (17), (18); - coeficientes de acoplamiento electromagnético del estator y del rotor (12), (13); p - número de pares de polos; - velocidad mecánica del rotor; J es el momento de inercia del rotor del motor; - momento de resistencia en el eje del motor.

Los valores de las inductancias totales de los devanados y los coeficientes de acoplamiento electromagnético del estator y rotor se calculan mediante las fórmulas:

donde: - inductancia de fuga; - inductancia del circuito de magnetización,

donde: - resistencia de fuga inductiva de los devanados del estator y del rotor; - reactancia inductiva del circuito de magnetización; f es la frecuencia del voltaje suministrado al estator.

Resolviendo un sistema de ecuaciones diferenciales en coordenadas (11), es posible obtener una característica mecánica dinámica y características temporales de las variables de estado (por ejemplo, par y velocidad), que dan una idea de los procesos que ocurren en el motor. . Los componentes del voltaje suministrado al devanado del estator del motor se calculan mediante la fórmula:

(19)

donde U es el valor efectivo del voltaje suministrado al estator.

Resolver las ecuaciones se reduce a integrar los lados izquierdo y derecho de cada ecuación diferencial del sistema:

(20)

Las dependencias actuales se calculan mediante las ecuaciones:

(21)

Los datos del pasaporte AD DMT f 011-6у1 se dan en el artículo.

La Figura 4 muestra un modelo de un IM controlado por la corriente del estator en un sistema de coordenadas orientado a lo largo del enlace de flujo del rotor.

Arroz. 4. Modelo de control de vectores IM en el entorno Simulink:

ANUNCIO - motor asíncrono;

УУ - dispositivo de control, que incluye: RK - unidad de desacoplamiento de coordenadas, R - rotador;

N es la carga, que también tiene en cuenta la resistencia de los rodamientos.

El modelo de control vectorial IM le permite monitorear los procesos electromagnéticos que ocurren en un motor asíncrono durante su funcionamiento.

El siguiente gráfico (Figura 5) muestra las características mecánicas de un motor eléctrico con control vectorial, obtenidas mediante modelado, en comparación con las características mecánicas de un motor eléctrico sin controlador, obtenidas en un experimento a escala real.

Arroz. 5. Comparación de características mecánicas.

Como puede verse en el gráfico, con el control vectorial la característica mecánica de un motor asíncrono se vuelve rígida, como resultado de lo cual se expande el rango de sobrecarga. Los valores característicos en el rango de 0 a 153 Nm difieren ligeramente, el error es solo del 1,11%, por lo tanto, el modelo matemático resultante refleja adecuadamente el funcionamiento de un motor real y puede usarse para realizar experimentos en la práctica de la ingeniería.

Conclusión

El uso del control vectorial le permite controlar directamente el par electromagnético del motor eléctrico cambiando la amplitud y fase del voltaje de suministro. Para controlar vectorialmente un motor asíncrono, primero es necesario reducirlo a una máquina bipolar simplificada, que tiene dos devanados en el estator y el rotor, según los cuales existen sistemas de coordenadas asociados con el estator, el rotor y el campo. El control vectorial implica la presencia de un modelo matemático de un motor eléctrico ajustable en el enlace de control.

Las características mecánicas obtenidas del funcionamiento del modelo descrito confirman la información teórica sobre el control de vectores. El modelo es adecuado y puede utilizarse para futuros experimentos.

Revisores:

Shvetsov Vladimir Alekseevich, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor del Departamento de RES KamchatGTU, Petropavlovsk-Kamchatsky.

Potapov Vadim Vadimovich, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor de la Universidad Federal del Lejano Oriente, Petropavlovsk-Kamchatsky.

Enlace bibliográfico

Likhodedov A.D., Portnyagin N.N. MODELADO DEL CONTROL VECTORIAL DE UN ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO ASÍNCRONO // Problemas modernos de la ciencia y la educación. – 2013. – nº 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8213 (fecha de acceso: 01/02/2020). Llamamos su atención sobre las revistas publicadas por la editorial "Academia de Ciencias Naturales".

Para obtener un control de alta calidad de motores eléctricos en modos estático y dinámico (transitorio), es necesario tener la capacidad de controlar rápidamente y directamente el par del motor.

El par de cualquier motor en cada período de tiempo está determinado por la magnitud (amplitud) y la fase de dos componentes generadores de par: corriente y flujo magnético. En IM, las corrientes y los enlaces de flujo del estator y el rotor giran a las mismas velocidades, tienen parámetros de fase diferentes que varían en el tiempo y no están sujetos a medición ni control directos. La variable controlada disponible en el IM es la corriente del estator, que tiene componentes que forman el flujo magnético y el par. La orientación de fase de estos dos componentes sólo puede lograrse mediante un dispositivo de control externo, que es lo que da lugar al término "control vectorial".

En la estructura del accionamiento eléctrico, el motor se considera un convertidor electromecánico EMF en forma de motor idealizado. Su rotor no tiene masa ni energía mecánica, no tiene pérdidas de energía mecánica y está rígidamente conectado al rotor físico real, que pertenece a la parte mecánica del accionamiento eléctrico. Un motor de este tipo puede representarse mediante una red electromecánica de terminales múltiples que contiene n pares de cables eléctricos según el número de n devanados y un par de cables mecánicos (consulte la Figura 2). En terminales mecánicos como resultado de la conversión electromecánica (EMT) de energía a velocidad. w se desarrolla el par electromagnético M. El par M es el valor de salida de la FEM y el valor de entrada para la parte mecánica del accionamiento eléctrico. Velocidad w Está determinada por las condiciones de movimiento de la parte mecánica, pero para EMF puede considerarse como una variable independiente. Variables mecánicas METRO Y w conecte EMF con la parte mecánica en un único sistema interconectado. Todos los procesos en un motor se describen mediante un sistema de ecuaciones de equilibrio eléctrico (el número de ecuaciones es igual al número de devanados) y la ecuación de conversión de energía electromecánica. Para ello, en la teoría de los equipos eléctricos se utiliza un modelo bifásico de máquina eléctrica generalizada (ver Figura 1), al que se reducen absolutamente todos los tipos y tipos de máquinas eléctricas:

Figura 1 – Modelo de CEM generalizado.

α, β – ejes del estator fijos; d, q– ejes de rotación del rotor; φ – ángulo de rotación del rotor; — velocidad angular del rotor;

Ecuación de equilibrio eléctrico i- devanados:

Figura 2 – Circuito de control vectorial

El circuito de control vectorial consta de tres partes funcionales principales:

BRP– bloque de reguladores variables;

BVP– bloque de cálculo de variables;

BZP– bloque para configurar variables;

En la entrada BRP Se reciben señales de comando de velocidad y flujo, así como señales de retroalimentación (desde la salida BVP) – valores orientados al campo de los componentes de la corriente del estator, el enlace de flujo del rotor y la velocidad. BRP contiene un conjunto de reguladores de flujo, par y corriente, en cuya salida también se generan señales orientadas a campo para ajustar los componentes de la corriente del estator.

BZP lleva a cabo transformaciones de fase y coordenadas de la definición d – q variables en el sistema de señales de control trifásico PWM AIN. Bloquear BVP calcula los valores actuales de los parámetros de amplitud y fase. d – q Variables IM, realizando transformaciones de fase y coordenadas de señales reales de corriente y tensión IM trifásicas procedentes de las salidas de los correspondientes sensores.

Transformaciones de coordenadas realizadas por el bloque. BVP, consisten en la transición de las coordenadas reales del sistema trifásico del estator IM con los ejes d,q(transformación 3 → 2). Bloquear BZP realiza transformaciones de coordenadas inversas (2 → 3), de d— q A a, b, C.

Las transformaciones de fase en estos bloques proporcionan la vinculación de los parámetros de fase de las variables en dos sistemas de coordenadas.

La confiabilidad, el costo y la calidad de las características del DE se ven afectados por la cantidad de parámetros medidos y la precisión de la medición. Para el control vectorial de la presión arterial es necesario medir al menos dos de las cuatro variables disponibles para medición:

1. corrientes del estator IM;
2. Tensión en los terminales IM;
3. Velocidad angular del rotor IM;
4. Posición angular del rotor IM;

El control vectorial permite obtener el cos φ IM máximo en casi cualquier momento, en cualquier posición del rotor con respecto al estator, con cualquier velocidad angular y carga en la máquina. Esto, a su vez, aumenta significativamente la eficiencia y el par. máquina, que, en este caso, prácticamente no depende de la velocidad angular del motor.

Cualquier cambio o mantenimiento de una velocidad constante del motor eléctrico proporciona una regulación específica del par desarrollado por el motor. El par se forma como resultado de la interacción del flujo (conexión de flujo) creado por una parte del motor con la corriente en la otra parte y está determinado por el producto vectorial de estos dos vectores espaciales generadores de par. Por tanto, la magnitud del par desarrollado por el motor está determinada por los módulos de cada vector y el ángulo espacial entre ellos.

al construir sistemas de control escalar Solo se controlaron y regularon los valores numéricos (módulos) de los vectores generadores de par, pero no se controló su posición espacial. Principio de control de vectores radica en el hecho de que el sistema de control controla el valor numérico y la posición en el espacio entre sí de los vectores generadores de par. Por tanto, la tarea del control vectorial es determinar y establecer con fuerza valores de corriente instantáneos en los devanados del motor de tal manera que los vectores generalizados de corrientes y conexiones de flujo ocupen una posición en el espacio que asegure la creación del par electromagnético requerido.

Par electromagnético generado por el motor:

donde m es el factor de diseño; , 2 - espacial

vectores de corrientes o enlaces de flujo que forman torque; X-Ángulo espacial entre vectores generadores de momentos.

Como se desprende de (6.53), los valores mínimos de las corrientes (enlaces de flujo) que forman el par serán para el valor de par requerido si los vectores X y 2 son perpendiculares entre sí, es decir X= °.

En los sistemas de control vectorial, no es necesario determinar la posición espacial absoluta de los vectores, y 2 en relación con los ejes del estator o del rotor. Es necesario determinar la posición de un vector con respecto a otro. Por lo tanto, uno de los vectores se toma como base, y la posición del otro controla el ángulo X.

En base a esto, al construir sistemas de control vectorial, es recomendable partir de una descripción matemática de los procesos electromagnéticos y electromecánicos expresados ​​​​en coordenadas vinculadas al vector base (coordenadas Y- v). Esta descripción matemática se da en el § 1.6.

Si tomamos como vector base y dirigimos el eje de coordenadas Y a lo largo de este vector, entonces, con base en (1.46), obtenemos el siguiente sistema de ecuaciones:

¿En estas ecuaciones? v = , ya que el vector coincide con el eje de coordenadas Y.

En la Fig. La figura 6.31 muestra un diagrama vectorial de corrientes y vínculos de flujo en los ejes. Y- v ^orientación de coordenadas Y a lo largo del vector de acoplamiento del rotor. Del diagrama vectorial se deduce que

Arroz. B.31. Diagrama vectorial de enlaces de flujo y corrientes en ejes. u-v en METRO

Con cambio constante (o lento) p embrague del rotor d"V u /dt= Resultando en yo y = Y Г = yji u +i v = i v

En este caso, el vector de corriente del rotor GRAMO perpendicular al enlace de flujo del rotor. Dado que el flujo de fuga del rotor 0 es significativamente menor que el flujo en el espacio de la máquina h,t entonces, si el enlace de flujo del rotor es constante, podemos suponer que la proyección del vector de corriente del estator sobre el eje de coordenadas v yo v es igual a |/"| o /

La ventaja del sistema de coordenadas adoptado. u-v Para construir un sistema de control vectorial de par y velocidad de un motor asíncrono es que el par del motor (6.54) se define como el producto escalar de dos vectores mutuamente perpendiculares: el enlace de flujo del rotor *P y la componente activa de la corriente del estator. Esta definición de par es típica, por ejemplo, de los motores de CC con excitación independiente, más conveniente para construir un sistema de control automático.

Sistema de control de vectores. El esquema estructural de dicha gestión se basa en los siguientes principios:

• ? un sistema de control de dos canales consta de un canal para estabilizar el varillaje de flujo del rotor y un canal para regular la velocidad (par);
• ? ambos canales deben ser independientes, es decir los cambios en los valores regulados de un canal no deberían afectar al otro;
• ? el canal de control de velocidad (par) controla el componente de corriente del estator /v. El algoritmo de funcionamiento del circuito de control de par es el mismo que en los sistemas de control de velocidad esclavo de motores de CC (ver § 5.6): la señal de salida del controlador de velocidad es una referencia al par del motor. Dividiendo el valor de esta tarea por el módulo de enlace de flujo del rotor Y Obtenemos la tarea para el componente actual del estator. i v (figura 6.32);
• ? cada canal contiene un circuito interno de corrientes /v y yo y con reguladores actuales que brinden la calidad de regulación requerida;
• ? valores actuales obtenidos i v y yo y a través de transformaciones de coordenadas se convierten en valores I a y / p de un sistema de coordenadas fijo bifásico a - (3 y luego en la tarea de corrientes reales en los devanados del estator en un sistema de coordenadas trifásico a B C;
• ? Las señales de velocidad, ángulo de rotación del rotor y corrientes en los devanados del estator necesarias para los cálculos y la formación de retroalimentación se miden mediante sensores apropiados y luego, utilizando transformaciones de coordenadas inversas, se convierten en los valores de estas cantidades correspondientes a los ejes de coordenadas. u-v.

Arroz.

Un sistema de control de este tipo proporciona un control del par a alta velocidad y, en consecuencia, una velocidad en el rango más amplio posible (más de 10.000:1). En este caso, los valores de par instantáneo de un motor asíncrono pueden superar significativamente el valor nominal del par crítico.

Para que los canales de control sean independientes entre sí, es necesario introducir señales de compensación cruzada e K0MPU y e compm en la entrada de cada canal (ver Fig. 6.32). Encontramos el valor de estas señales a partir de las ecuaciones del circuito del estator (6.54). Habiendo expresado y CHK 1y mediante las correspondientes corrientes e inductancias (1.4) y teniendo en cuenta que cuando el eje está orientado Y a lo largo del vector de enlace de flujo del rotor Х / |у =0 obtenemos:

¿De dónde lo encontramos?

Dónde coeficiente de disipación.

Sustituyendo (6.55) en (6.54) y teniendo en cuenta que en el sistema de control considerado d x V 2u /dt = 0, obtenemos

o

nuevas constantes de tiempo; e y e v - EMF de rotación a lo largo de los ejes. tu-v

Para establecer cantidades independientes yo y y /v necesita ser compensado e y Y e v introducción de tensiones de compensación:

Para implementar los principios del control vectorial, es necesario medir o calcular directamente utilizando un modelo matemático (estimación) el módulo y la posición angular del vector de enlace de flujo del rotor. El diagrama funcional del control vectorial de un motor asíncrono con medición directa del flujo en el entrehierro de la máquina mediante sensores Hall se muestra en la Fig. 6.33.

Arroz. B.ZZ. Diagrama funcional de control vectorial directo de un motor asíncrono.

El circuito contiene dos canales de control: un canal de control (estabilización) para el varillaje de flujo del rotor *P 2 y un canal de control de velocidad. El primer canal contiene un bucle de enlace de flujo de rotor externo que contiene un controlador de enlace de flujo PI RP y retroalimentación de enlace de flujo, cuya señal se genera utilizando sensores Hall que miden el flujo en el espacio de la máquina. ¿X? t a lo largo de los ejes ai(3. Los valores de flujo reales se recalculan luego en el bloque PP en los valores del enlace de flujo del rotor a lo largo de los ejes a y p y utilizando el filtro vectorial VF, el módulo del enlace de flujo del rotor Se encuentra el vector, que se suministra como una señal de retroalimentación negativa al regulador de enlace de flujo RP y se utiliza como divisor en el canal de control de velocidad.

En el primer canal, el circuito de corriente interno está subordinado al circuito de enlace de flujo. yo y, que contiene un regulador de corriente PI PT1 y retroalimentación sobre el valor real de la corriente / 1i, calculado a partir de los valores reales de las corrientes de fase del estator utilizando el convertidor de fase PF2 y el convertidor de coordenadas KP1. La salida del regulador de corriente PT1 es el ajuste de voltaje. Ulú, al que se suma la señal de compensación del segundo canal e kshpi(6.57). La señal de ajuste de voltaje recibida se convierte mediante los convertidores de coordenadas KP2 y de fase PF2 en valores y fases de voltaje específicos en la salida del convertidor de frecuencia.

El canal de control del varillaje de flujo del rotor garantiza que el varillaje de flujo Ch* 2 permanezca constante en todos los modos de funcionamiento del variador al nivel del valor especificado x P 2set. Si es necesario debilitar el campo, H*^ puede variar dentro de ciertos límites con una pequeña tasa de cambio.

El segundo canal está diseñado para regular la velocidad (par) del motor. Contiene un bucle de velocidad externo y un bucle de corriente interno subordinado / 1у. El comando de velocidad proviene del generador de intensidad, que determina la aceleración y el valor de velocidad requerido. La retroalimentación de velocidad se realiza mediante un sensor de velocidad DS o un sensor de posición angular del rotor.

El controlador de velocidad de PC se adopta como proporcional o proporcional-integral, dependiendo de los requisitos del accionamiento eléctrico. La salida del controlador de velocidad es el comando para el par desarrollado por el motor L/R. Dado que el par es igual al producto de la corriente por el varillaje de flujo del rotor H / 2, entonces dividiendo el valor de ajuste del par en el bloque de división DB He vuelto en Ch / 2 obtenemos el valor de configuración actual, que se suministra a la entrada del regulador de corriente PT2. El procesamiento adicional de la señal es similar al del primer canal. Como resultado, obtenemos una tarea para la tensión de alimentación del motor por fase, que determina el valor y la posición espacial en cada momento del vector de tensión del estator generalizado. Tenga en cuenta que las señales relacionadas con variables en las coordenadas - son señales de corriente continua, y las señales que reflejan corrientes y voltajes en las coordenadas del aire son señales de corriente alterna que determinan no solo el módulo, sino también la frecuencia y fase del voltaje y la corriente correspondientes.

El sistema de control de vectores considerado se implementa actualmente en formato digital sobre la base de microprocesadores. Se han desarrollado y se utilizan ampliamente varios esquemas estructurales de control de vectores, que difieren en detalles del que se está considerando. Así, en la actualidad, los valores reales de los enlaces de flujo no se miden mediante sensores de flujo magnético, sino que se calculan utilizando un modelo matemático del motor, basado en las corrientes y tensiones de fase medidas.

En general, el control vectorial puede evaluarse como la forma más eficaz de controlar motores de CA, proporcionando alta precisión y velocidad de control.

Dmitri Levkin

Idea principal control de vectores es controlar no sólo la magnitud y frecuencia de la tensión de alimentación, sino también la fase. En otras palabras, se controlan la magnitud y el ángulo del vector espacial. El control de vectores tiene un mayor rendimiento en comparación con. El control vectorial elimina casi todas las desventajas del control escalar.

Ventajas del control de vectores:
• alta precisión del control de velocidad;
• arranque suave y rotación suave del motor en todo el rango de frecuencia;
• respuesta rápida a los cambios de carga: cuando cambia la carga, prácticamente no hay cambio de velocidad;
• mayor rango de control y precisión de control;
• se reducen las pérdidas debidas al calentamiento y la magnetización, y .

Las desventajas del control de vectores incluyen:
• la necesidad de establecer parámetros;
• grandes fluctuaciones de velocidad con carga constante;
• alta complejidad computacional.

Diagrama funcional general del control vectorial.

En la figura anterior se muestra el diagrama de bloques general de un sistema de control de velocidad de CA de alto rendimiento. La base del circuito son los circuitos de enlace de flujo magnético y de control de par junto con una unidad de evaluación, que se puede implementar de diversas formas. En este caso, el bucle de control de velocidad externo está en gran medida unificado y genera señales de control para los controladores de par M* y el enlace de flujo magnético Ψ* (a través de la unidad de control de flujo). La velocidad del motor puede medirse mediante un sensor (velocidad/posición) u obtenerse a través de un estimador que permita su implementación.

Clasificación de métodos de control de vectores.

Desde los años setenta del siglo XX se han propuesto muchos métodos de control del par. No todos ellos se utilizan ampliamente en la industria. Por lo tanto, este artículo analiza sólo los métodos de gestión más populares. Los métodos de control de par discutidos se presentan para sistemas de control con contraelectromotriz sinusoidal.

Los métodos de control de par existentes se pueden clasificar de varias maneras.

Muy a menudo, los métodos de control de par se dividen en los siguientes grupos:
• reguladores lineales (PI, PID);
• Reguladores no lineales (histéresis).

Método de control			Rango de control de velocidad	Error de velocidad 3,%	Tiempo de aumento del par, ms	Par de arranque	Precio	Descripción
			1:10 1	5-10	No disponible	Corto	Muy bajo	Tiene una respuesta lenta a los cambios de carga y un rango de control de velocidad pequeño, pero es fácil de implementar.
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Le permite controlar de forma suave y rápida los principales parámetros del motor: par y velocidad. Para que este método funcione, se requiere información sobre la posición del rotor.
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Un método híbrido diseñado para combinar las ventajas de...
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Tiene una alta dinámica y un circuito simple, pero un rasgo característico de su funcionamiento son las altas ondulaciones de corriente y par.
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Tiene una frecuencia de conmutación del inversor más baja que otros métodos y está diseñado para reducir las pérdidas al controlar motores eléctricos de alta potencia.

Nota:

1. Sin realimentación.
2. Con retroalimentación.
3. En estado estacionario

Entre el control vectorial, los más utilizados son (FOC - control orientado a campo) y (DTC - control directo de par).

Reguladores de par lineal

Los controladores de par lineal funcionan junto con la modulación de ancho de pulso (PWM) del voltaje. Los reguladores determinan el vector de voltaje del estator requerido promediado durante el período de muestreo. El vector de voltaje finalmente se sintetiza mediante el método PWM; en la mayoría de los casos, se utiliza la modulación del vector espacial (SVM). A diferencia de los circuitos de control de par no lineal, donde las señales se procesan utilizando valores instantáneos, en los circuitos de control de par lineal, un controlador lineal (PI) opera con valores promediados durante el período de muestreo. Por lo tanto, la frecuencia de muestreo se puede reducir de 40 kHz en circuitos controladores de par no lineal a 2-5 kHz en circuitos controladores de par lineal.

(POA, control orientado al campo en inglés, FOC) es un método de control que controla una corriente alterna sin escobillas (,) como una máquina de corriente continua con excitación independiente, lo que implica que el campo y se pueden controlar por separado.

El control orientado al campo, propuesto en 1970 por Blaschke y Hasse, se basa en una analogía con el control conmutado mecánicamente. En este motor, los devanados de campo y de armadura están separados, el enlace de flujo está controlado por la corriente de campo y el par se controla de forma independiente mediante la regulación de corriente. Por lo tanto, el enlace de flujo y las corrientes de par están separadas eléctrica y magnéticamente.

Diagrama funcional general del control orientado a campo sin sensores 1

Por otro lado, los motores de CA sin escobillas ( , ) suelen tener un devanado de estator trifásico y el vector de corriente del estator I s se utiliza para controlar tanto el flujo como el par. Por tanto, la corriente de campo y la corriente de armadura. fusionado en el vector de corriente del estator y no se puede controlar por separado. La desconexión se puede lograr matemáticamente, descomponiendo el valor instantáneo del vector de corriente del estator I s en dos componentes: el componente longitudinal de la corriente del estator I sd (creando el campo) y el componente transversal de la corriente del estator I sq (creando el par) en un sistema de coordenadas giratorio dq orientado a lo largo del campo del rotor (R -FOC – control orientado al flujo del rotor) - imagen de arriba. Por lo tanto, el control de un motor de CA sin escobillas se vuelve idéntico al control y se puede lograr utilizando un inversor PWM con un regulador PI lineal y modulación de voltaje de vector espacial.

En el control orientado a campo, el par y el campo se controlan indirectamente controlando los componentes del vector de corriente del estator.

Los valores instantáneos de las corrientes del estator se convierten al sistema de coordenadas giratorias dq mediante la transformación de Park αβ/dq, que también requiere información sobre la posición del rotor. El campo se controla a través de la componente de corriente longitudinal I sd, mientras que el par se controla a través de la componente de corriente transversal I sq. La transformada inversa de Park (dq/αβ), un módulo matemático de transformación de coordenadas, permite calcular las componentes de referencia del vector de voltaje V sα * y V sβ *.

Para determinar la posición del rotor se utiliza un sensor de posición del rotor instalado en el motor eléctrico o un algoritmo de control sin sensores implementado en el sistema de control, que calcula información sobre la posición del rotor en tiempo real basándose en los datos disponibles en el sistema de control.

En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques de control de par directo con modulación de vector espacial con ajuste de enlace de flujo y par con retroalimentación que opera en un sistema de coordenadas rectangular orientado a lo largo del campo del estator. Las salidas de los controladores PI de par y varillaje de flujo se interpretan como los componentes de referencia de la tensión del estator V ψ * y V M * en el sistema de coordenadas dq orientado a lo largo del campo del estator (control orientado al flujo del estator en inglés, S-FOC). Estos comandos (voltajes constantes) luego se convierten en un sistema de coordenadas fijo αβ, después de lo cual los valores de control V sα * y V sβ * se envían al módulo de modulación del vector espacial.

Diagrama funcional de control directo de par con modulación de tensión vectorial espacial.

Tenga en cuenta que este circuito puede considerarse como un control simplificado orientado al campo del estator (S-FOC) sin bucle de control de corriente o como un circuito clásico (PUM-TV, tabla de conmutación en inglés DTC, ST DTC) en el que la tabla de conmutación está reemplazado por un modulador (SVM), y el controlador de flujo y par de histéresis son reemplazados por controladores PI lineales.

En el control de par directo con modulación de vector espacial (DTC-FCM), el enlace de par y flujo se controla directamente en un circuito cerrado, por lo que es necesaria una estimación precisa del flujo y el par del motor. A diferencia del algoritmo de histéresis clásico, este funciona a una frecuencia de conmutación constante. Esto mejora significativamente el rendimiento del sistema de control: reduce el par y las pulsaciones de flujo, lo que le permite arrancar el motor con confianza y operar a bajas velocidades. Pero al mismo tiempo se reducen las características dinámicas de la propulsión.

Autogobierno directo

En octubre de 1984, Depenbrock presentó una solicitud de patente para el método de autogobierno directo. A continuación se muestra el diagrama de bloques del autogobierno directo.

Con base en los comandos de enlace de flujo del estator ψ s * y los componentes de fase actual ψ sA , ψ sB y ψ sC , los comparadores de enlace de flujo generan señales digitales d A , d B y d C , que corresponden a los estados de voltaje activo (V 1 –V 6). El controlador de par histerético tiene una señal de salida d M, que determina los estados cero. Por lo tanto, el regulador del enlace de flujo del estator establece el intervalo de tiempo de los estados de voltaje activos que mueven el vector del enlace de flujo del estator a lo largo de una trayectoria determinada, y el regulador de par determina el intervalo de tiempo de los estados de voltaje cero que mantienen el par del motor eléctrico en una tolerancia. campo determinado por histéresis.

Esquema de autogobierno directo

Los rasgos característicos del esquema de autogobierno directo son:
• formas no sinusoidales de enlace de flujo y corriente de estator;
• el vector de enlace de flujo del estator se mueve a lo largo de una trayectoria hexagonal;
• no hay reserva de tensión de alimentación, las capacidades del inversor se utilizan al máximo;
• la frecuencia de conmutación del inversor es menor que la del control directo de par con mesa de conmutación;
• Excelente dinámica en rangos de campo constantes y debilitados.

Tenga en cuenta que el rendimiento del método de autocontrol directo se puede reproducir utilizando un circuito con un ancho de histéresis de flujo del 14%.