Control de vectores

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El control vectorial es un método de control de motores síncronos y asíncronos , que no solo genera corrientes armónicas (voltajes) de las fases ( control escalar ), sino que también proporciona control del flujo magnético del rotor. Las primeras implementaciones del principio de control vectorial y los algoritmos de mayor precisión requieren el uso de sensores de posición (velocidad) del rotor.

En general, " control vectorial " se refiere a la interacción del dispositivo de control con el llamado "vector espacial", que gira con la frecuencia del campo motor.

Razones para

La razón principal del surgimiento del control vectorial es que un motor asíncrono con rotor de jaula de ardilla (ADKZ), el motor más masivo y económico en producción, confiable y de operación menos exigente (no hay colectores mecánicos, anillos colectores en el diseño) es difícil controlar la velocidad, por lo que inicialmente se utilizó para transmisiones no ajustables, o para transmisiones con ajuste mecánico (usando una caja de cambios); El ADKZ especial de varias velocidades solo permitía cambios de velocidad escalonados (de dos a cinco pasos), pero su costo era mucho más alto que los convencionales, además, se requería una estación de control para dichos motores, lo que aumentaba aún más el costo del sistema de control , mientras que era imposible mantener automáticamente la velocidad del motor cuando cambia la carga. Más tarde, se desarrollaron métodos para controlar la velocidad de ADKZ ( control escalar ), pero en procesos transitorios con control escalar, el enlace de flujo del rotor cambia (cuando cambian las corrientes del estator y del rotor), lo que conduce a una disminución en la tasa de cambio en el par electromagnético y el deterioro de la dinámica.

Por otro lado , un motor de corriente continua (DC motor), con su mayor costo y costos de operación y menor confiabilidad (hay un colector mecánico), es simplemente controlable, mientras que el ajuste se puede realizar tanto cambiando el voltaje de armadura con una constante flujo de excitación nominal (la primera zona de control) y cambiando el voltaje en el devanado de excitación (debilitamiento del flujo de excitación) con un voltaje nominal constante en la armadura (segunda zona de control). En este caso, la regulación suele realizarse primero en la primera zona y, si es necesario, una regulación adicional en la segunda zona (con potencia constante).

La idea del control vectorial era crear un sistema de control de este tipo para ADKZ, en el que, como un motor de CC, puede controlar por separado el par y el flujo magnético, mientras mantiene el enlace de flujo del rotor a un nivel constante, lo que significa que el el cambio en el par electromagnético será máximo.

Aparato matemático de control vectorial

Para SM e IM , el principio de control vectorial se puede formular de la siguiente manera: Inicialmente, el sistema de ecuaciones lineales diferenciales de un motor trifásico se convierte en un sistema de ecuaciones de una máquina bifásica generalizada, que tiene dos fases ( ubicadas espacialmente a 90° entre sí) en el estator y dos fases en el rotor, también ubicadas mutuamente. Luego, todos los vectores descritos por este sistema se proyectan sobre un sistema de coordenadas ortogonales que giran arbitrariamente, con origen en el eje del rotor, mientras que la mayor simplicidad de las ecuaciones se obtiene cuando el sistema de coordenadas gira a la velocidad del campo de la máquina, además , con esta representación, las ecuaciones degeneran y se vuelven similares a las ecuaciones DPT, la proyección de todos los vectores en la dirección del campo de la máquina se refleja en el nombre de este método - "orientación de campo". De hecho, la segunda etapa en la formación de valores orientados a lo largo del campo es el reemplazo de los devanados de una máquina generalizada de dos fases (dos en el estator y dos en el rotor) con un par de devanados mutuamente perpendiculares que giran sincrónicamente. con el campo Además de las características cercanas a las características del DCT, el ADKZ orientado al campo tiene la velocidad máxima permitida al controlar el par en el modo de mantener la constancia del enlace de flujo.

Las ecuaciones de los procesos electromagnéticos, escritas con respecto a las corrientes del estator y los enlaces de flujo del rotor en un sistema de coordenadas ortogonales síncronas, orientadas a lo largo del vector de enlace del flujo del rotor, tienen la forma:

\left\{{\begin{matriz}\sigma L_{s}{\frac {dI_{d}}{dt}}=-R_{s}I_{d}+U_{d}+\sigma L_{s }\omega _{\psi }I_{q}-{\frac {L_{m}}{L_{r}}}{\frac {d\psi_{r}}{dt}}\\\sigma L_ {s}{\frac {dI_{q}}{dt}}=-R_{s}I_{q}+U_{d}-\sigma L_{s}\omega _{\psi }I_{d}- {\frac {L_{m}}{L_{r}}}\omega _{\psi }\psi _{r}\\T_{r}{\frac {d\psi _{r}}{dt} }=-\psi_{r}+L_{m}I_{d}\\\omega_{\psi }=\omega_{r}e+\omega_{c}k=\omega_{r}e+ {\frac {L_{m}}{T_{r}}}{\frac {I_{d}}{\psi _{r}}}\\M={\frac {3}{2}}Z_{ r}{\frac {L_{m}}{L_{r}}}\psi _{r}I_{q}\end{matriz}}\right.

dónde:

$\sigma$ es el coeficiente de dispersión; - respectivamente, la inductancia del estator, rotor y mutuo; - respectivamente, la resistencia activa del estator y del rotor; — enlace de flujo del rotor; es la frecuencia de rotación del vector de enlace de flujo del rotor; — frecuencia eléctrica de rotación del rotor; son proyecciones de corrientes en los ejes d y q; es la constante de tiempo del circuito del rotor. $L_{s}L_{r}L_{m}$ $R_{s}R_{r}$ $\psi_{r}$ $\omega _{\psi}$ $\omega_{r}e$ $yo_{d}yo_{q}$ $T_{r}$

Hay dos métodos posibles para esto:

orientación del campo del rotor
orientación a lo largo del campo del enlace de flujo principal

En la implementación práctica del primer método, es necesario determinar la dirección y la posición angular del vector de enlace de flujo del rotor del motor. Los ejes ortogonales d, q (en la literatura nacional, los ejes x, y se usan para máquinas asíncronas) están dirigidos de modo que el eje d coincida con la dirección del vector de flujo del rotor. El vector de voltaje del estator del motor se ajusta en los ejes d, q. El componente de voltaje del eje d controla la cantidad de corriente del estator a lo largo del eje d.

Al cambiar la corriente del estator a lo largo del eje d, se debe lograr el valor requerido de la amplitud del vector de flujo del rotor. La corriente del estator a lo largo del eje q, controlada por el voltaje a lo largo de este eje, determinará el par desarrollado por el motor. En este modo de funcionamiento, las características de SM e IM son similares a las de un motor de CC, por lo que el campo de la máquina se forma a lo largo del eje d (devanado de excitación para un motor de CC, es decir, inductor ), y la corriente a lo largo del eje q establece el momento (devanado de anclaje de un motor de corriente continua). El control del motor según este método teóricamente proporciona una gran capacidad de sobrecarga de ADKZ, pero es imposible determinar directamente el vector del enlace de flujo del rotor.

Este método de control vectorial se implementó originalmente en el sistema Siemens Transvektor .

Los dispositivos con control sobre el vector del enlace de flujo principal del motor, en ruso, comenzaron a llamarse sistemas vectoriales. Cuando se usa el dispositivo de control de acuerdo con el vector del enlace de flujo principal y la estabilización del módulo del enlace de flujo principal del motor en todos los modos de operación, se excluye la saturación excesiva del sistema magnético y la estructura de control del IM es simplificado. Para los componentes del vector del enlace de flujo principal (a lo largo de los ejes α, β del estator), es posible la medición directa, por ejemplo, utilizando sensores Hall instalados en el entrehierro del motor.

La fuente de alimentación de AM y SM en el modo de control vectorial se lleva a cabo desde el inversor , que puede proporcionar en cualquier momento la amplitud requerida y la posición angular del vector de voltaje (o corriente) del estator. La medición de la amplitud y la posición del vector de enlace de flujo del rotor se lleva a cabo con la ayuda de un observador (un aparato matemático que le permite restaurar los parámetros no medidos del sistema).

Opciones para los modos de control de vectores

El control vectorial implica la presencia en el enlace de control de un modelo matemático (en adelante - MM ) de un motor eléctrico regulable . 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 para resolver la tarea de velocidad o par.

La precisión del modelo matemático del motor eléctrico

En relación con lo anterior, parece posible clasificar los modos de control según la precisión del motor eléctrico MM utilizado en el enlace de control:

uso de MM sin mediciones de refinación adicionales por parte del dispositivo de control de los parámetros del motor eléctrico (solo se utilizan los datos típicos del motor ingresados por el usuario)
uso de MM con medidas adicionales de refinado por el dispositivo de control de los parámetros del motor eléctrico (es decir, resistencias activas y reactivas del estator / rotor , tensión y corriente del motor )

Uso del sensor de velocidad del motor

Dependiendo de la presencia o ausencia de un sensor de realimentación de velocidad (sensor de velocidad), el control vectorial se puede dividir en:

control del motor sin sensor de velocidad : en este caso, el dispositivo de control utiliza los datos del MM del motor y los valores obtenidos al medir la corriente del estator y / o rotor
control del motor con un sensor de velocidad : este dispositivo utiliza no solo los valores obtenidos al medir la corriente del estator y / o el rotor del motor eléctrico (como en el caso anterior), sino también datos sobre la velocidad (posición ) del rotor del sensor, que en algunas tareas de control permite aumentar la precisión de trabajo por el accionamiento eléctrico de una tarea de velocidad (posición).

Matices terminológicos

Dado que el principio del control de vectores se inventó en Alemania, el término " control de vectores " se encuentra a menudo en la literatura en idioma ruso, que es un papel de calco del alemán "Vektorregelung". Tal definición no puede considerarse errónea, sin embargo, de acuerdo con las normas establecidas del lenguaje técnico ruso, sería más correcto usar el término " control de vectores ". Además, este método a menudo también se denomina "principio de orientación de campo", que también es una traducción literal del alemán "Das Prinzip der Feldorientierung".

Enlaces

Convertidores de frecuencia para control vectorial. Información básica. clasificación. Elección

Literatura

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