Què és el Control Orientat al Camp?
Què és el control orientat al camp?
Definició del control orientat al camp
El control orientat al camp és una tècnica sofisticada que gestiona els motors d'inducció AC controlant independentment la torsió i el flux magnètic, similar a com ho fan els motors DC.
Principi de funcionament del control orientat al camp
El control orientat al camp consisteix en controlar les corrents del estator representades per un vector. Aquest control es basa en projeccions que transformen un sistema de tres fases dependent del temps i de la velocitat en un sistema invariante en el temps amb dues coordenades (marc d i q).
Aquestes transformacions i projeccions porten a una estructura similar al control d'una màquina DC. Les màquines FOC necessiten dos constants com a referències d'entrada: el component de torsió (alineat amb la coordenada q) i el component de flux (alineat amb la coordenada d).
Les tensions, corrents i fluxos de tres fases dels motors AC es poden analitzar en termes de vectors espacials complexos. Si prenem ia, ib, ic com a corrents instantànies en les fases del estator, llavors el vector de corrent del estator es defineix de la següent manera:
On, (a, b, c) són els eixos del sistema de tres fases. Aquest vector espacial de corrent representa el sistema sinusoidal de tres fases. Cal transformar-lo en un sistema de coordenades invariants en el temps. Aquesta transformació es pot dividir en dos passos:
(a, b, c) → (α, β) (la transformació de Clarke), que dóna resultats d'un sistema de dues coordenades variant en el temps.
(α, β) → (d, q) (la transformació de Park), que dóna resultats d'un sistema de dues coordenades invariants en el temps.
La projecció (a, b, c) → (α, β) (transformació de Clarke) Les quantitats de tres fases, ja siguin tensions o corrents, que varien en el temps al llarg dels eixos a, b i c, es poden transformar matemàticament en tensions o corrents de dues fases, que varien en el temps al llarg dels eixos α i β, mitjançant la següent matriu de transformació:
Assumint que l'eix a i l'eix α van en la mateixa direcció i β és ortogonal a ells, tenim el següent diagrama vectorial:
La projecció anterior modifica el sistema de tres fases en el sistema ortogonal de dues dimensions (α, β) tal com es diu a continuació:
Però aquests dos components de corrent (α, β) encara depenen del temps i de la velocitat. La projecció (α, β) → (d.q) (transformació de Park) Aquesta és la transformació més important en el FOC. De fet, aquesta projecció modifica el sistema ortogonal fix de dues fases (α, β) en un sistema de referència rotatori d, q. La matriu de transformació és la següent:
On, θ és l'angle entre el sistema de coordenades rotatori i fix.
Si considerem l'eix d alineat amb el flux del rotor, la Figura 2 mostra la relació entre els dos marcs de referència pel vector de corrent:
On, θ és la posició del flux del rotor. Els components de torsió i flux del vector de corrent es determinen per les següents equacions:
Aquests components depenen dels components del vector de corrent (α, β) i de la posició del flux del rotor. Si coneixem la posició precisa del flux del rotor, llavors, mitjançant l'equació anterior, els components d, q es poden calcular fàcilment. En aquest moment, la torsió es pot controlar directament perquè el component de flux (isd) i el component de torsió (isq) són independents ara.
Mòdul bàsic per al control orientat al camp
Es mesuren les corrents de les fases del estator. Aquestes corrents mesurades es fan entrar al bloc de transformació de Clarke. Les sortides d'aquesta projecció s'anomenen isα i isβ. Aquests dos components de la corrent entren al bloc de transformació de Park que proporciona la corrent en el marc de referència d, q.
Els components isd i isq es comparen amb les referències: isdref (la referència de flux) i isqref (la referència de torsió). En aquest moment, la estructura de control té una avantatge: es pot utilitzar per controlar màquines síncrones o d'inducció simplement canviant la referència de flux i rastrejant la posició del flux del rotor. En el cas de PMSM, el flux del rotor és fix determinat pels imans, per tant, no cal crear-ne cap.
Per tant, mentre s'està controlant un PMSM, isdref hauria de ser igual a zero. Com els motors d'inducció necessiten la creació d'un flux del rotor per a funcionar, la referència de flux no ha de ser igual a zero. Això elimina fàcilment una de les principals deficiències de les estructures de control "clàssiques": la portabilitat des de conduccions asincròniques a sincròniques.
Les sortides dels controladors PI són Vsdref i Vsqref. Es fan entrar al bloc de transformació inversa de Park. Les sortides d'aquesta projecció són Vsαref i Vsβref, que es fan entrar al bloc de l'algoritme de modulació de pulssars de vector espacial (SVPWM). Les sortides d'aquest bloc proporcionen senyals que controlen l'inversor. Aquí, tant les transformacions de Park com les inverses de Park necessiten la posició del flux del rotor. Per tant, la posició del flux del rotor és essencial en el FOC.
L'avaluació de la posició del flux del rotor és diferent si considerem el motor síncron o d'inducció. En el cas de motors síncrons, la velocitat del rotor és igual a la velocitat del flux del rotor. Llavors, la posició del flux del rotor es determina directament pel sensor de posició o per la integració de la velocitat del rotor.
En el cas de motors asincrònics, la velocitat del rotor no és igual a la velocitat del flux del rotor degut al lliscament; per tant, es fa servir un mètode particular per avaluar la posició del flux del rotor (θ). Aquest mètode utilitza el model de corrent, que necessita dues equacions del model del motor d'inducció en el marc de referència rotatori d, q.
Diagrama de bloc simplificat de FOC indirecte
Classificació del control orientat al camp
El FOC per a la conducció del motor d'inducció es pot classificar ampliament en dos tipus: FOC indirecte i FOC directe. En la estratègia DFOC, el vector de flux del rotor es mesura mitjançant un sensor de flux instal·lat en el forat d'aire o utilitzant les equacions de tensió a partir dels paràmetres de la màquina elèctrica.
Però en el cas de IFOC, el vector de flux del rotor es estima utilitzant les equacions de control orientat al camp (model de corrent) que requereix una mesura de la velocitat del rotor. Entre ambdós esquemes, l'IFOC és més comunament utilitzat perquè en mode tancat pot operar fàcilment a través de tot el rang de velocitats, des de velocitat zero fins a velocitats altes amb atenuació de camp.
Avantatges del control orientat al camp
Millora de la resposta de torsió.
Control de torsió a baixes freqüències i velocitats baixes.
Precisió dinàmica de la velocitat.
Reducció de la mida del motor, cost i consum d'energia.
Operació en quatre quadrants.
Capacitat de sobrecàrrega a curt termini.
