Mikä on kenttäsuunnattu ohjaus?
Kenttäsuunnatun ohjauksen määritelmä
Kenttäsuunnattu ohjaus on hienovarainen teknikka, joka hallitsee vaihtovirtakiihdyttimiä kontrolloimalla liukuvirtaa ja magneettivirtaa itsenäisesti, samalla tavalla kuin suoravirtakoneissa.
Kenttäsuunnatun ohjauksen toimintaperiaate
Kenttäsuunnattu ohjaus koostuu statorivirtojen hallinnasta, jotka esitetään vektorina. Tämä ohjaus perustuu projektiioihin, jotka muuntavat kolmen vaiheen ajan ja nopeuden riippuvan järjestelmän kahden koordinaatin (d- ja q-koordinaatti) aika-invariantiseksi järjestelmäksi.
Nämä muunnokset ja projektiot johtavat rakenteeseen, joka on samankaltainen kuin suoravirtakoneen ohjauksessa. FOC-maahineiden tarvitsevat kaksi vakioitunutta syötettä: liukuvirtakomponentti (kohdistettuna q-koordinaattiin) ja fluxkomponentti (kohdistettuna d-koordinaattiin).
Vaihtovirtakoneiden kolmivaiheiset jännitteet, virrat ja fluxit voidaan analysoida kompleksisten tilavektorien avulla. Jos otamme ia, ib, ic hetkellisiksi virroiksi statorivaiheissa, statorivirtavektori määritellään seuraavasti:
Missä (a, b, c) ovat kolmen vaiheen järjestelmän akselit. Tämä virtavesi edustaa kolmivaiheista siniäistä järjestelmää. Sitä on muutettava kahteen aika-invariantiseen koordinaattijärjestelmään. Tämä muunnos voidaan jakaa kahteen osaan:
(a, b, c) → (α, β) (Clarke-muunnos), joka antaa tuloksena kaksikoordinaatin ajan variantin järjestelmän.
(α, β) → (d, q) (Park-muunnos), joka antaa tuloksena kaksikoordinaatin aika-invariantisen järjestelmän.
(a, b, c) → (α, β) Projektiointi (Clarke-muunnos) Kolmivaiheiset määrät, joko jännitteet tai virrat, jotka vaihtelevat ajan myötä akselilla a, b ja c, voidaan matemaattisesti muuttaa kaksivaiheisiksi jännitteiksi tai virroiksi, jotka vaihtelevat ajan myötä akselilla α ja β seuraavan muunnosmatriisin avulla:
Olettaen, että a-akseli ja α-akseli ovat samassa suunnassa ja β on ortogonaalinen niihin, meillä on seuraava vektorigrammi:
Yllä oleva projektiointi muuntaa kolmivaiheisen järjestelmän (α, β) kaksiulotteiseksi ortogonaaliseksi järjestelmäksi kuten alla mainitaan:
Mutta nämä kaksi vaihetta (α, β) virrat riippuvat vielä ajasta ja nopeudesta. (α, β) → (d, q) projektiointi (Park-muunnos) Tämä on tärkein muunnos FOC:ssa. Itse asiassa tämä projektiointi muuttaa kaksi vaihetta kiinteä ortogonaalinen järjestelmä (α, β) d, q pyörii viitejärjestelmäksi. Muunnosmatriisi on seuraava:
Missä, θ on kulma pyörimässä ja kiinteässä koordinaattijärjestelmässä.
Jos oletatte d-akselin kohdistettuna roottorifluxiin, Kuva 2 näyttää suhteen kahdesta viitekehyksestä virtavektorille:
Missä, θ on roottorifluxin sijainti. Virtavektorin liukuvirta- ja fluxkomponentit määräytyvät seuraavilla yhtälöillä:
Nämä komponentit riippuvat virtavektorin (α, β) komponenteista ja roottorifluxin sijainnista. Jos tiedätte tarkan roottorifluxin sijainnin, voitte helposti laskea d, q komponentit yllä olevan yhtälön avulla. Tässä vaiheessa liukuvirtaa voidaan hallita suoraan, koska fluxkomponentti (isd) ja liukuvirtakomponentti (isq) ovat nyt itsenäisiä.
Kenttäsuunnatun ohjauksen perusmoduuli
Statorivaihevirrat mitataan. Nämä mitatut virrat syötetään Clarke-muunnoksen lohkoon. Tämän projektioiden tulokset on nimetty isα ja isβ. Nämä kaksi virtakomponenttia syötetään Park-muunnoksen lohkoon, joka tarjoaa virtasignaalit d, q viitejärjestelmässä.
Isd ja isq komponentit verrataan viitteisiin: isdref (fluxviite) ja isqref (liukuvirtaviite). Tässä vaiheessa ohjausrakenne tarjoaa etun: sitä voidaan käyttää sekä synkronisten että induktiokoneiden ohjaamiseen yksinkertaisesti muuttamalla fluxviitettä ja seuraten roottorifluxin sijaintia. PMSM:n tapauksessa roottorifluxi on kiinteästi määritelty magneeteilla, joten sitä ei tarvitse luoda.
Siksi PMSM:n ohjauksessa isdref pitäisi olla nolla. Koska induktiokoneet tarvitsevat roottorifluxin luomista toimiakseen, fluxviite ei saa olla nolla. Tämä helposti poistaa yhden "perinteisten" ohjausrakenteiden pääpuutteista: siirrettävyyttä asynkronisista synkronisiin ajoneuvoihin.
PI-ohjaimien tulokset ovat Vsdref ja Vsqref. Ne sovelletaan käänteiseen Park-muunnokseen. Tämän projektioiden tulokset Vsαref ja Vsβref syötetään tilavektoripulsivisailua (SVPWM) algoritmin lohkoon. Tämän lohkon tulokset tarjoavat signaaleja, jotka ohjaavat inverteriä. Tässä molemmat Park- ja käänteinen Park-muunnos tarvitsevat roottorifluxin sijaintia. Siksi roottorifluxin sijainti on FOC:n olennainen osa.
Roottorifluxin sijainnin arviointi on erilainen, jos tarkastelemme synkronisia tai induktiokoneita. Synkronisten koneiden tapauksessa roottorin nopeus on sama kuin roottorifluxin nopeus. Sitten roottorifluxin sijainti määritetään suoraan paikannussensorilla tai roottorin nopeuden integroinnilla.
Asynkronisten koneiden tapauksessa roottorin nopeus ei ole sama kuin roottorifluxin nopeus, koska slip. Siksi erityinen menetelmä käytetään roottorifluxin sijainnin (θ) arvioimiseen. Tämä menetelmä käyttää virtamallia, joka tarvitsee kaksi induktiokoneen malliyhtälöä d, q pyörii viitejärjestelmässä.
Yksinkertaistettu epäsuora FOC-lohkaskeema
Kenttäsuunnatun ohjauksen luokittelu
Induktioroottorikoneiden FOC voidaan laajasti luokitella kahdeksi tyypiksi: epäsuora FOC ja suora FOC -skeemat. DFOC-strategiassa roottorifluxivektoria mittaillaan joko fluxsensorilla, joka on asennettu ilmasuojaukseen, tai käyttämällä sähkömoottorin parametreistä lähteviä jänniteyhtälöitä.
Mutta IFOC:n tapauksessa roottorifluxivektoria arvioidaan käyttämällä kenttäsuunnatun ohjauksen yhtälöitä (virtamalli), joka vaatii roottorin nopeuden mittaamisen. Kummastakin skeemasta IFOC on yleisemmin käytetty, koska suljetussa silmukassa se voi helposti toimia koko nopeusalueelta nollanopeudesta korkeaan nopeuteen fluxin heikentämiseen asti.
Kenttäsuunnatun ohjauksen etuja
Parannettu liukuvirtavastehdintä.
Liukuvirran hallinta matalilla taajuudilla ja nopeuksilla.
Dynaaminen nopeusvalmisuus.
Koneen koon, kustannusten ja energiankulutuksen pienentäminen.
Neljän kvadrantin toiminta.
Lyhytaikainen ylikuormituskyky.
