Mi a mezőorientált irányítás?

Mi az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés?

Az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés meghatározása

Az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés egy kifinomult technika, amely az AC indukciós motorok kezelését teszi lehetővé, a nyomaték és a mágneses áramerősség független ellenőrzése révén, hasonlóan a DC motorokhoz.

Az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés működési elve

Az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés a státorkörzeteket egy vektorral ábrázolva vezérli. Ez a vezérlés projekciókon alapul, amelyek egy háromfázisú, idő- és sebességfüggő rendszert átalakítanak egy két koordinátájú (d és q keret), időfüggetlen rendszerre.

 Ezek az átalakítások és projekciók olyan szerkezetet eredményeznek, ami hasonló a DC gépek ellenállás-vezérléséhez. Az FOC gépeknek két állandó értékre van szükségük bemeneti referenciaként: a nyomaték komponensre (amely a q koordinátával van igazítva) és a fluktuációs komponensre (amely a d koordinátával van igazítva).

Az AC-motorok háromfázisú feszültségeit, áramait és fluktuációját összetett térvektorok segítségével lehet elemzni. Ha ia, ib, ic az instantáneus státorkörzet-áramok, akkor a státorkörzet-áramvektor a következőképpen definiálódik:

Ahol, (a, b, c) a háromfázisú rendszer tengelyei. Ez a térvektor a háromfázisú szinuszos rendszert képviseli. Ezt át kell alakítani egy két időfüggetlen koordinátájú rendszerbe. Ez az átalakítás két lépésben történhet:

(a, b, c) → (α, β) (a Clarke-transzformáció), amely két koordinátájú, időváltozó rendszert ad eredményül.

(a, β) → (d, q) (a Park-transzformáció), amely két koordinátájú, időfüggetlen rendszert ad eredményül.

A (a, b, c) → (α, β) Projekció (Clarke-transzformáció)A háromfázisú mennyiségeket, legyenek azok feszültségek vagy áramok, időben változóan az a, b, és c tengelyek mentén matematikailag átalakíthatjuk két fázisú feszültségekre vagy áramokra, időben változóan az α és β tengelyek mentén a következő transzformációs mátrix segítségével:

Feltételezve, hogy az a és az α tengely ugyanirányú, és a β ortogonális velük, a következő vektordiagramot kapjuk:

A fenti projekció a háromfázisú rendszert a (α, β) két dimenziós ortogonális rendszerbe alakítja át, ahogy az alább látható:

De ez a két fázisú (α, β) áram továbbra is idő- és sebességfüggő. A (α, β) → (d.q) projekció (Park-transzformáció). Ez a legfontosabb átalakítás az FOC-ban. Valójában ez a projekció a két fázisú rögzített ortogonális rendszert (α, β) a d, q forgó referencia rendszerbe alakítja. A transzformációs mátrix a következő:

Ahol, θ a forgó és rögzített koordináta rendszerek közötti szög.

Ha a d tengelyt a rotor-fluxsal igazítjuk, az Ábra 2 mutatja a két referencia keret közötti kapcsolatot az áramvektor esetében:

Ahol, θ a rotor-flux pozíciója. Az áramvektor nyomaték- és fluxkomponensei a következő egyenletekkel határozhatók meg:

Ezek a komponensek függnek az áramvektor (α, β) komponenseitől és a rotor-flux pozíciójától. Ha pontosan ismerjük a rotor-flux pozícióját, akkor a fenti egyenlettel könnyen kiszámíthatók a d, q komponensek. Ebben a pillanatban közvetlenül ellenőrizhető a nyomaték, mivel a fluxkomponens (isd) és a nyomatékkomponens (isq) mostantól függetlenek.

Az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés alapmodulja

A státorkörzet-áramok mérőlegesek. Ezek a mérési adatok a Clarke-transzformáció blokkba kerülnek. Ennek a projekciónak a kimenetei isα és isβ. Ezek az áram komponensek a Park-transzformáció blokkba jutnak, amely a d, q referencia keretben adja az áramot. 

Az isd és isq komponensek összevetésre kerülnek a referenciákkal: isdref (a flux referenciával) és isqref (a nyomaték referenciával). Ebben a pillanatban a vezérlési struktúrának előnye van: használható sincron vagy indukciós gépek ellenőrzésére, egyszerűen megváltoztatva a flux referenciát és követve a rotor-flux pozícióját. A PMSM esetében a rotor-flux rögzített, a mágnesek által meghatározott, így nincs szükség egyet létrehozni. 

Tehát, amikor PMSM-t ellenőrizzünk, az isdref nullának kell lennie. Mivel az indukciós motoroknak rotor-flux létrehozásra van szükségük a működéshez, a flux referenciának nem lehet nulla. Ez könnyen megszünteti a „klasszikus” ellenállás-vezérlési struktúrák egyik fő hátrányát: az aszinkron és szinkron hajtóművek közötti portabilitást. 

A PI-vezérlő kimenetei Vsdref és Vsqref. Ezeket a fordított Park-transzformáció blokkba alkalmazzák. Ennek a projekciónak a kimenetei Vsαref és Vsβref a térvektor impulzus-szélesség modulációs (SVPWM) algoritmus blokkba kerülnek. Ennek a blokknak a kimenetei jelzéseket adnak, amelyek vezérlik a inverzort. Itt mind a Park, mind a fordított Park transzformációknak szükségük van a rotor-flux pozícióra. Tehát a rotor-flux pozíció az FOC lényege.

A rotor-flux pozíció kiértékelése eltér, ha szinkron vagy indukciós motort veszünk figyelembe.Szinkron motor(ok) esetén a rotor sebessége egyenlő a rotor-flux sebességével. Akkor a rotor-flux pozíció közvetlenül meghatározható pozíciós érzékelővel vagy a rotor sebesség integrálásával.

Aszinkron motor(ok) esetén a rotor sebessége nem egyenlő a rotor-flux sebességével, mert csúszás miatt; ezért speciális módszert használnak a rotor-flux pozíció (θ) kiértékelésére. Ez a módszer árammodellt használ, ami két egyenletet igényel az indukciós motor modelljéből a d, q forgó referencia keretben.

Az indirekt FOC egyszerűsített blokkdiagramja

Az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés osztályozása

Az indukciós motorhajtóművek FOC-je két típusba osztható: indirekt FOC és direkt FOC sémák. A DFOC stratégiában a rotor-flux vektort vagy egy a légterben telepített flux érzékelő segítségével mérik, vagy a villamos gép paramétereiből kiindulva a feszültség egyenleteinek segítségével.

 De az IFOC esetében a rotor-flux vektort az iránymeghatározó ellenállás-vezérlési egyenletek (árammodell) segítségével becsülik, amely rotor-sebesség mérést igényel. A két sémából az IFOC a gyakrabban használt, mert zárt hurok módban könnyen működhet nullától a magas sebességig, a mező-gyengítésig.

Az iránymeghatározó ellenállás-vezérlés előnyei

• Javított nyomaték-válasz.

• Nyomaték-ellenőrzés alacsony frekvencián és alacsony sebességen.

• Dinamikus sebességpontosság.

• Motor méretének, költségének és energiaszükségletének csökkentése.

• Négy kvadrans működés.

• Rövid távú túlterhelési képesség.