Kawalan Berorientasikan Medan

Motor induksi AC menawarkan ciri-ciri operasi yang mengagumkan seperti ketahanan, kebolehpercayaan, dan kemudahan kawalan. Mereka digunakan secara meluas dalam pelbagai aplikasi, dari sistem kawalan gerakan industri hingga peralatan rumah tangga. Walau bagaimanapun, penggunaan motor induksi pada kecekapan tertinggi adalah tugas yang mencabar kerana model matematiknya yang kompleks dan ciri bukan linear semasa jemu. Faktor-faktor ini membuat kawalan motor induksi menjadi sukar dan memerlukan penggunaan algoritma kawalan prestasi tinggi seperti kawalan vektor.

Pengenalan Kawalan Berorientasikan Medan

Kawalan skalar seperti strategi "V/Hz" mempunyai had dalam segi prestasi. Kaedah kawalan skalar untuk motor induksi menghasilkan osilasi pada tork yang dihasilkan. Oleh itu, untuk mencapai prestasi dinamik yang lebih baik, diperlukan skema kawalan yang lebih canggih untuk Motor Induksi. Dengan keupayaan pemprosesan matematik yang ditawarkan oleh mikro-kontroler, pemproses isyarat digital, dan FGPA, strategi kawalan canggih boleh dilaksanakan untuk mendekopel fungsi penghasilan tork dan magnetisasi dalam motor induksi AC. Tork yang didekopel dan fluks magnetisasi ini biasanya dipanggil Kawalan Berorientasikan Fluks (FOC).

Kawalan Berorientasikan Medan menerangkan cara kawalan tork dan kelajuan berdasarkan langsung pada keadaan elektromagnetik motor, serupa dengan motor DC. FOC adalah teknologi pertama yang mengawal pemboleh ubah kawalan sebenar tork dan fluks. Dengan pendekopelan antara komponen arus stator (fluks magnetisasi dan tork), komponen tork daripada fluks stator boleh dikawal secara bebas. Kawalan yang didekopel, pada kelajuan rendah, keadaan magnetisasi motor boleh dikekalkan pada tahap yang sesuai, dan tork boleh dikawal untuk mengatur kelajuan.
"FOC telah dibangunkan secara eksklusif untuk aplikasi motor prestasi tinggi yang boleh beroperasi dengan lancar dalam julat kelajuan yang luas, boleh menghasilkan tork penuh pada kelajuan sifar, dan mampu mempercepat dan memperlambat dengan cepat."

Prinsip Kerja Kawalan Berorientasikan Medan

Kawalan berorientasikan medan terdiri daripada mengawal arus stator yang diwakili oleh vektor. Kawalan ini berdasarkan projeksi yang mentransformasikan sistem tiga fasa yang bergantung kepada masa dan kelajuan menjadi sistem dua koordinat (d dan q frame) yang tidak bergantung kepada masa. Transformasi dan projeksi ini membawa kepada struktur yang serupa dengan kawalan mesin DC. Mesin FOC memerlukan dua pemalar sebagai rujukan input: komponen tork (sejajar dengan koordinat q) dan komponen fluks (sejajar dengan koordinat d).
Tegangan tiga fasa, arus, dan fluks motor AC boleh dianalisis dalam istilah vektor ruang kompleks. Jika kita ambil ia, ib, ic sebagai arus segera dalam fasa stator, maka vektor arus stator ditakrifkan seperti berikut:

Di mana, (a, b, c) adalah paksi sistem tiga fasa.

Vektor ruang arus ini mewakili sistem sinus tiga fasa. Ia perlu ditransformasikan menjadi sistem koordinat dua yang tidak bergantung kepada masa. Transformasi ini boleh dibahagikan kepada dua langkah:
(a, b, c) → (α, β) (transformasi Clarke), yang memberikan output sistem dua koordinat yang bergantung kepada masa.
(a, β) → (d, q) (transformasi Park), yang memberikan output sistem dua koordinat yang tidak bergantung kepada masa.
Transformasi (a, b, c) → (α, β) (transformasi Clarke)
Kuantiti tiga fasa sama ada tegangan atau arus, yang berubah mengikut masa di sepanjang paksi a, b, dan c boleh ditransformasikan secara matematik menjadi tegangan atau arus dua fasa, yang berubah mengikut masa di sepanjang paksi α dan β melalui matriks transformasi berikut:

Dengan mengandaikan bahawa paksi a dan paksi α adalah searah dan β adalah ortogonal kepada mereka, kita mempunyai diagram vektor berikut:

Proyeksi di atas memodifikasi sistem tiga fasa menjadi sistem dua dimensi ortogonal (α, β) seperti yang dinyatakan di bawah:

Tetapi arus dua fasa (α, β) ini masih bergantung kepada masa dan kelajuan.
Proyeksi (α, β) → (d.q) (transformasi Park)
Inilah transformasi yang paling penting dalam FOC. Sebenarnya, proyeksi ini memodifikasi sistem dua fasa tetap ortogonal (α, β) menjadi sistem rujukan putaran d, q. Matriks transformasi diberikan di bawah:

Di mana, θ adalah sudut antara sistem koordinat putaran dan tetap.
Jika anda pertimbangkan paksi d sejajar dengan fluks rotor, Gambar 2 menunjukkan hubungan dari dua bingkai rujukan untuk vektor arus:

Di mana, θ adalah kedudukan fluks rotor. Komponen tork dan fluks vektor arus ditentukan oleh persamaan berikut:

Komponen-komponen ini bergantung pada komponen vektor arus (α, β) dan kedudukan fluks rotor. Jika anda tahu kedudukan fluks rotor yang tepat, maka, melalui persamaan di atas, komponen d, q boleh dihitung dengan mudah. Pada saat ini, tork boleh dikawal secara langsung kerana komponen fluks (isd) dan komponen tork (isq) kini bersendirian.

Modul Asas untuk Kawalan Berorientasikan Medan

Arus fasa stator diukur. Arus yang diukur ini disalurkan ke blok transformasi Clarke. Output dari projeksi ini bertajuk isα dan isβ. Kedua-dua komponen arus ini masuk ke blok transformasi Park yang menyediakan arus dalam bingkai rujukan d, q. Komponen isd dan isq dibandingkan dengan rujukan: isdref (rujukan fluks) dan isqref (rujukan tork). Pada saat ini, struktur kawalan mempunyai kelebihan: ia boleh digunakan untuk mengawal mesin sinkron atau induksi dengan hanya menukar rujukan fluks dan melacak kedudukan fluks rotor. Dalam kes PMSM, fluks rotor adalah tetap ditentukan oleh magnet-magnet sehingga tidak perlu untuk mencipta satu. Oleh itu, semasa mengawal PMSM, isdref harus sama dengan sifar. Sebagai motor induksi memerlukan penciptaan fluks rotor untuk beroperasi, rujukan fluks tidak boleh sama dengan sifar. Ini dengan mudah menghilangkan salah satu kelemahan utama struktur kawalan "klasik": portabiliti dari penggerak asinkron ke sinkron. Output dari pengawal PI adalah Vsdref dan Vsqref. Mereka diterapkan ke blok transformasi Park songsang. Output dari projeksi ini adalah Vsαref dan Vsβref disalurkan ke algoritma modulasi lebar pulsa vektor ruang (SVPWM). Output dari blok ini memberikan isyarat yang menggerakkan inverter. Di sini, kedua-dua transformasi Park dan Park songsang memerlukan kedudukan fluks rotor. Oleh itu, kedudukan fluks rotor adalah esensi FOC.
Penilaian kedudukan fluks rotor berbeza jika kita pertimbangkan motor sinkron atau induksi.

1. Dalam kes motor sinkron, kelajuan rotor adalah sama dengan kelajuan fluks rotor. Maka kedudukan fluks rotor ditentukan secara langsung oleh sensor kedudukan atau dengan integrasi kelajuan rotor.

2. Dalam kes motor asinkron, kelajuan rotor tidak sama dengan kelajuan fluks rotor kerana slip; oleh itu, kaedah khusus digunakan untuk menilai kedudukan fluks rotor (θ). Kaedah ini menggunakan model arus, yang memerlukan dua persamaan model motor induksi dalam bingkai rujukan d, q berputar.