Que é o Control Orientado ao Campo?

Qué é o Control Orientado ao Campo?

Control Orientado ao Campo Definido

O control orientado ao campo é unha técnica sofisticada que xestiona os motores de indución AC controlando independentemente o par e o fluxo magnético, similar aos motores DC.

Principio de Funcionamento do Control Orientado ao Campo

O control orientado ao campo consiste en controlar as correntes do estator representadas por un vector. Este control está baseado en proxeccións que transforman un sistema de tres fases dependente do tempo e da velocidade nun sistema invariante no tempo con dúas coordenadas (marco d e q).

 Estas transformacións e proxeccións levam a unha estrutura semellante á do control dunha máquina DC. As máquinas FOC requiren dúas constantes como referencias de entrada: o compoñente de par (alineado coa coordenada q) e o compoñente de fluxo (alineado coa coordenada d).

As voltaxes, correntes e fluxos de tres fases dos motores AC poden ser analizados en termos de vectores espaciais complexos. Se tomamos ia, ib, ic como as correntes instantáneas nas fases do estator, entón o vector de corrente do estator defínese do seguinte xeito:

Onde, (a, b, c) son os eixes do sistema de tres fases. Este vector de corrente espacial representa o sistema sinusoidal de tres fases. Precisa ser transformado nun sistema de coordenadas invariante no tempo. Esta transformación pode dividirse en dous pasos:

(a, b, c) → (α, β) (a transformación Clarke), que dá saídas dun sistema de dúas coordenadas variante no tempo.

(α, β) → (d, q) (a transformación Park), que dá saídas dun sistema de dúas coordenadas invariante no tempo.

A Proxección (a, b, c) → (α, β) (Transformación Clarke)As cantidades de tres fases, sejam voltaxes ou correntes, que varían no tempo ao longo dos eixes a, b e c, poden ser transformadas matematicamente en voltaxes ou correntes de dúas fases, que varían no tempo ao longo dos eixes α e β, mediante a seguinte matriz de transformación:

Supoñendo que o eixe a e o eixe α están na mesma dirección e β é ortogonal a eles, temos o seguinte diagrama vectorial:

A proxección anterior modifica o sistema de tres fases no sistema ortogonal de dúas dimensións (α, β) como se indica a continuación:

Pero estas dúas correntes (α, β) aínda dependen do tempo e da velocidade. A proxección (α, β) → (d.q) (Transformación Park)Esta é a transformación máis importante no FOC. De feito, esta proxección modifica o sistema ortogonal fixo de dúas fases (α, β) nun sistema de referencia rotatorio d, q. A matriz de transformación é a seguinte:

Onde, θ é o ángulo entre o sistema de coordenadas rotatorio e o fixo.

Se consideras o eixe d alineado co fluxo do rotor, a Figura 2 amosa a relación entre os dous marcos de referencia para o vector de corrente:

Onde, θ é a posición do fluxo do rotor. Os compoñentes de par e fluxo do vector de corrente determinanse polas seguintes ecuacións:

Estes compoñentes dependen dos compoñentes do vector de corrente (α, β) e da posición do fluxo do rotor. Se coñeces a posición precisa do fluxo do rotor, entón, pola ecuación anterior, os compoñentes d e q poden calcularse facilmente. Nese instante, o par pode controlarse directamente porque o compoñente de fluxo (isd) e o compoñente de par (isq) son independentes agora.

Módulo Básico para o Control Orientado ao Campo

As correntes das fases do estator midense. Estas correntes medidas alimentan o bloque de transformación Clarke. As saídas desta proxección denomínanse isα e isβ. Estes dous compoñentes da corrente entran no bloque de transformación Park que fornece a corrente no marco de referencia d, q. 

Os compoñentes isd e isq contrastanse coas referencias: isdref (a referencia de fluxo) e isqref (a referencia de par). Nese instante, a estrutura de control ten unha vantaxe: pode usarse para controlar tanto máquinas síncronas como de indución simplemente cambiando a referencia de fluxo e seguindo a posición do fluxo do rotor. No caso de PMSM, o fluxo do rotor está fixo determinado polo imán, polo que non é necesario crear un. 

Por tanto, ao controlar un PMSM, isdref debe ser igual a cero. Como os motores de indución necesitan a creación dun fluxo de rotor para operar, a referencia de fluxo non debe ser igual a cero. Isto elimina facilmente unha das principais debilidades das estruturas de control "clásicas": a portabilidade de unidades asíncronas a síncronas. 

As saídas dos controladores PI son Vsdref e Vsqref. Aplicanse ao bloque de transformación inversa Park. As saídas desta proxección son Vsαref e Vsβref que alimentan o algoritmo de modulación de ancho de pulso vectorial (SVPWM). As saídas deste bloque proporcionan sinais que dirixen o inversor. Aquí, tanto a transformación Park como a inversa requirén a posición do fluxo do rotor. Polo tanto, a posición do fluxo do rotor é esencial no FOC.

A avaliación da posición do fluxo do rotor é diferente se consideramos o motor síncrono ou de indución.No caso de motores síncronos, a velocidade do rotor é igual á velocidade do fluxo do rotor. Entón, a posición do fluxo do rotor determinase directamente por un sensor de posición ou pola integración da velocidade do rotor.

No caso de motores asíncronos, a velocidade do rotor non é igual á velocidade do fluxo do rotor debido ao deslizamento; polo tanto, usa-se un método particular para avaliar a posición do fluxo do rotor (θ). Este método utiliza un modelo de corrente, que require dúas ecuacións do modelo do motor de indución no marco de referencia rotatorio d, q.

Diagrama Simplificado de Bloques de FOC Indirecto

Clasificación do Control Orientado ao Campo

O FOC para a unidade de motor de indución pode clasificarse ampliamente en dous tipos: FOC indirecto e FOC directo. Na estratexia DFOC, o vector de fluxo do rotor mídese mediante un sensor de fluxo montado na abertura de aire ou usando as ecuacións de voltaxe a partir dos parámetros da máquina eléctrica.

 Pero no caso de IFOC, o vector de fluxo do rotor estímase usando as ecuacións de control orientado ao campo (modelo de corrente) que requiren a medida da velocidade do rotor. Entre ambas as estratexias, o IFOC é máis comúnmente usado porque en modo de bucle pechado pode operar facilmente a lo largo de todo o rango de velocidades, desde velocidade cero ata alta velocidade de debilitamento de campo. 

Vantaxes do Control Orientado ao Campo

• Melhor resposta de par.

• Control de par a frecuencias e velocidades baixas.

• Precisión dinámica de velocidade.

• Redución no tamaño do motor, custo e consumo de enerxía.

• Operación en catro cuadrantes.

• Capacidade de sobrecarga a curto prazo.