O que é Controle Orientado a Campo?

O que é o Controle Orientado ao Campo?

Definição do Controle Orientado ao Campo

O controle orientado ao campo é uma técnica sofisticada que gerencia motores de indução CA controlando independentemente o torque e o fluxo magnético, de forma semelhante aos motores CC.

Princípio de Funcionamento do Controle Orientado ao Campo

O controle orientado ao campo consiste em controlar as correntes do estator representadas por um vetor. Este controle baseia-se em projeções que transformam um sistema de três fases dependente do tempo e da velocidade em um sistema invariante no tempo com duas coordenadas (quadro d e q).

 Essas transformações e projeções levam a uma estrutura similar à do controle de uma máquina CC. As máquinas FOC necessitam de duas constantes como referências de entrada: o componente de torque (alinhado com a coordenada q) e o componente de fluxo (alinhado com a coordenada d).

As tensões, correntes e fluxos de três fases dos motores CA podem ser analisados em termos de vetores espaciais complexos. Se tomarmos ia, ib, ic como as correntes instantâneas nas fases do estator, então o vetor de corrente do estator é definido como segue:

Onde, (a, b, c) são os eixos do sistema de três fases. Este vetor espacial de corrente representa o sistema de três fases sinusoidal. Ele precisa ser transformado em um sistema de coordenadas invariante no tempo. Esta transformação pode ser dividida em duas etapas:(a, b, c) → (α, β) (a transformação Clarke), que fornece saídas de um sistema de duas coordenadas variante no tempo. (a, β) → (d, q) (a transformação Park), que fornece saídas de um sistema de duas coordenadas invariante no tempo.

A Projeção (a, b, c) → (α, β) (Transformação Clarke) Grandezas de três fases, sejam tensões ou correntes, variando no tempo ao longo dos eixos a, b e c, podem ser matematicamente transformadas em tensões ou correntes de duas fases, variando no tempo ao longo dos eixos α e β, pela seguinte matriz de transformação:

Assumindo que o eixo a e o eixo α estão na mesma direção e β é ortogonal a eles, temos o seguinte diagrama vetorial:

A projeção acima modifica o sistema de três fases no sistema ortogonal bidimensional (α, β) conforme declarado abaixo:

Mas essas duas correntes (α, β) ainda dependem do tempo e da velocidade. A Projeção (α, β) → (d.q) (Transformação Park) Esta é a transformação mais importante no FOC. De fato, esta projeção modifica o sistema ortogonal fixo de duas fases (α, β) em um sistema de referência rotativo d, q. A matriz de transformação é fornecida abaixo:

Onde, θ é o ângulo entre o sistema de coordenadas rotativo e fixo.

Se você considerar o eixo d alinhado com o fluxo do rotor, a Figura 2 mostra a relação entre os dois sistemas de referência para o vetor de corrente:

Onde, θ é a posição do fluxo do rotor. Os componentes de torque e fluxo do vetor de corrente são determinados pelas seguintes equações:

Estes componentes dependem dos componentes do vetor de corrente (α, β) e da posição do fluxo do rotor. Se você conhecer a posição exata do fluxo do rotor, então, pela equação acima, os componentes d, q podem ser facilmente calculados. Neste instante, o torque pode ser controlado diretamente porque o componente de fluxo (isd) e o componente de torque (isq) agora são independentes.

Módulo Básico para Controle Orientado ao Campo

As correntes de fase do estator são medidas. Essas correntes medidas são alimentadas no bloco de transformação Clarke. As saídas desta projeção são intituladas isα e isβ. Esses dois componentes da corrente entram no bloco de transformação Park que fornece a corrente no quadro de referência d, q. 

Os componentes isd e isq são contrastados com as referências: isdref (a referência de fluxo) e isqref (a referência de torque). Neste instante, a estrutura de controle tem uma vantagem: ela pode ser usada para controlar tanto máquinas síncronas quanto indutivas, simplesmente alterando a referência de fluxo e rastreando a posição do fluxo do rotor. No caso de PMSM, o fluxo do rotor é fixo, determinado pelos ímãs, então não há necessidade de criar um. 

Portanto, ao controlar um PMSM, isdref deve ser igual a zero. Como os motores de indução precisam da criação de um fluxo do rotor para operar, a referência de fluxo não deve ser igual a zero. Isso elimina facilmente uma das principais desvantagens das estruturas de controle "clássicas": a portabilidade de acionamentos assíncronos para síncronos. 

As saídas dos controladores PI são Vsdref e Vsqref. Elas são aplicadas ao bloco de transformação inversa Park. As saídas desta projeção são Vsαref e Vsβref, que são alimentadas no algoritmo de modulação de largura de pulso por vetor espacial (SVPWM). As saídas deste bloco fornecem sinais que acionam o inversor. Aqui, tanto as transformações Park quanto as inversas Park necessitam da posição do fluxo do rotor. Portanto, a posição do fluxo do rotor é a essência do FOC.

A avaliação da posição do fluxo do rotor é diferente se considerarmos o motor síncrono ou indutivo. No caso de motores síncronos, a velocidade do rotor é igual à velocidade do fluxo do rotor. Então a posição do fluxo do rotor é determinada diretamente pelo sensor de posição ou pela integração da velocidade do rotor.

No caso de motores assíncronos, a velocidade do rotor não é igual à velocidade do fluxo do rotor devido ao deslizamento; portanto, um método particular é usado para avaliar a posição do fluxo do rotor (θ). Este método utiliza o modelo de corrente, que requer duas equações do modelo do motor de indução no quadro de referência rotativo d, q.

Diagrama de Bloco Simplificado do Controle Orientado ao Campo Indireto

Classificação do Controle Orientado ao Campo

O FOC para acionamentos de motores de indução pode ser amplamente classificado em dois tipos: esquemas de FOC Indireto e Direto. Na estratégia DFOC, o vetor de fluxo do rotor é medido por meio de um sensor de fluxo montado na abertura de ar ou usando as equações de tensão a partir dos parâmetros da máquina elétrica.

 Mas no caso de IFOC, o vetor de fluxo do rotor é estimado usando as equações de controle orientado ao campo (modelo de corrente) que requer a medição da velocidade do rotor. Entre ambos os esquemas, o IFOC é mais comumente utilizado porque, em modo fechado, ele pode operar facilmente em toda a faixa de velocidades, desde a velocidade zero até a alta velocidade de enfraquecimento do campo. 

Vantagens do Controle Orientado ao Campo

• Melhora na resposta de torque.

• Controle de torque em baixas frequências e baixas velocidades.

• Precisão dinâmica de velocidade.

• Redução no tamanho do motor, custo e consumo de energia.

• Operação em quatro quadrantes.

• Capacidade de sobrecarga de curto prazo.