Veldgerichte regeling
AC asynchrone motoren bieden bewonderenswaardige operationele kenmerken zoals robuustheid, betrouwbaarheid en gemakkelijk te regelen. Ze worden uitgebreid gebruikt in verschillende toepassingen, van industriële bewegingscontrolesystemen tot huishoudelijke apparaten. Het gebruik van asynchrone motoren op hun hoogste efficiëntie is echter een uitdagende taak vanwege hun complexe wiskundig model en niet-lineaire karakteristiek tijdens verzadiging. Deze factoren maken de regeling van asynchrone motoren moeilijk en roepen om het gebruik van hoge-prestatie-regelalgoritmen zoals vectorregeling.
Inleiding tot veldgerichte regeling
Scalar regeling, zoals de "V/Hz"-strategie, heeft zijn beperkingen qua prestaties. De scalare regelmethode voor asynchrone motoren veroorzaakt oscillaties in het geproduceerde koppel. Om betere dynamische prestaties te bereiken, is een meer superieure regelschema nodig voor asynchrone motoren. Met de wiskundige verwerkingsmogelijkheden die microcontrollers, digitale signaalprocessors en FPGA's bieden, kunnen geavanceerde regelstrategieën worden toegepast om de koppelgeneratie en de magnetisatiefuncties in een AC-asynchrone motor te ontkoppelen. Deze ontkoppelde koppel en magnetisatieflux wordt meestal rotor veldgerichte regeling (FOC) genoemd.
Veldgerichte regeling beschrijft de manier waarop de regeling van koppel en snelheid direct gebaseerd is op de elektromagnetische staat van de motor, vergelijkbaar met een gelijkstroommotor. FOC is de eerste technologie die de "echte" motorregelvariabelen van koppel en flux regelt. Door de ontkoppeling tussen de stator stroom componenten (magnetiseringsflux en koppel), kan de koppelproducerende component van de statorflux onafhankelijk worden geregeld. Bij ontkoppelde regeling, bij lage snelheden, kan de magnetisatiestatus van de motor op het juiste niveau worden gehouden, en kan het koppel worden geregeld om de snelheid te reguleren.
"FOC is uitsluitend ontwikkeld voor high-performance motortoepassingen die soepel kunnen werken over een breed snelheidsbereik, volledig koppel kunnen produceren bij nul snelheid, en in staat zijn tot snelle acceleratie en deceleratie."
Werkingsprincipe van veldgerichte regeling
De veldgerichte regeling bestaat uit het regelen van de statorstromen die worden weergegeven door een vector. Deze regeling is gebaseerd op projecties die een driefas systeem dat afhankelijk is van tijd en snelheid, transformeren naar een twee coördinaten (d en q frame) tijdsonafhankelijk systeem. Deze transformaties en projecties leiden tot een structuur die vergelijkbaar is met die van een gelijkstroommachine regeling. FOC-machines hebben twee constanten nodig als ingangswaarden: de koppelcomponent (uitgelijnd met de q-coördinaat) en de fluxcomponent (uitgelijnd met d-coördinaat).
De driedriefas spanningen, stromen en fluxen van AC-motoren kunnen worden geanalyseerd in termen van complexe ruimtevectoren. Als we ia, ib, ic nemen als momentane stromen in de statorfasen, dan is de stator stroom vector als volgt gedefinieerd:
Waarbij, (a, b, c) de assen van driedriefas systeem zijn.
Deze stroom ruimtevector vertegenwoordigt het driedriefas sinusoidale systeem. Het moet worden getransformeerd naar een twee tijdsonafhankelijk coördinatensysteem. Deze transformatie kan worden verdeeld in twee stappen:
(a, b, c) → (α, β) (de Clarke-transformatie), wat twee coördinaten tijdvariant systeem uitvoer geeft.
(a, β) → (d, q) (de Park-transformatie), wat twee coördinaten tijdsonafhankelijk systeem uitvoer geeft.
De (a, b, c) → (α, β) Projectie (Clarke-transformatie)
Driedriefas grootheden, ofwel spanningen of stromen, die in de tijd variëren langs de assen a, b en c, kunnen wiskundig worden getransformeerd naar twee-fas spanningen of stromen, die in de tijd variëren langs de assen α en β door de volgende transformatiematrix:
Met de aanname dat de as a en de as α in dezelfde richting liggen en β orthogonaal aan hen, hebben we de volgende vectordiagram:
De bovenstaande projectie wijzigt het driedriefas systeem in het (α, β) tweedimensionale orthogonale systeem zoals hieronder vermeld:
Maar deze twee fase (α, β) stromen hangen nog steeds af van tijd en snelheid.
De (α, β) → (d.q) projectie (Park-transformatie)
Dit is de belangrijkste transformatie in de FOC. In feite wijzigt deze projectie het twee fase vast orthogonaal systeem (α, β) in een d, q draaiend referentiesysteem. De transformatiematrix is als volgt:
Waarbij, θ de hoek is tussen het draaiende en vaste coördinatensysteem.
Als je de d-as uitlijnt met de rotorflux, toont Figuur 2 de relatie van de twee referentiekaders voor de stroom vector:
Waarbij, θ de rotorfluxpositie is. De koppel- en fluxcomponenten van de stroom vector worden bepaald door de volgende vergelijkingen:
Deze componenten hangen af van de stroomvector (α, β) componenten en de rotorfluxpositie. Als je de nauwkeurige rotorfluxpositie kent, kun je de d, q componenten gemakkelijk berekenen door de bovenstaande vergelijking. Op dit moment kan het koppel direct worden geregeld omdat de fluxcomponent (isd) en de koppelcomponent (isq) nu onafhankelijk zijn.
Basismodule voor veldgerichte regeling
De statorfasenstromen worden gemeten. Deze gemeten stromen worden ingevoerd in de Clarke-transformatieblok. De uitvoer van deze projectie wordt aangeduid als isα en isβ. Deze twee componenten van de stroom gaan het Park-transformatieblok binnen, dat de stroom in het d, q referentiekader levert. De isd en isq componenten worden vergeleken met de referenties: isdref (de fluxreferentie) en isqref (de koppelreferentie). Op dit moment heeft de regelstructuur een voordeel: het kan worden gebruikt om zowel synchrone als asynchrone machines te regelen door simpelweg de fluxreferentie te veranderen en de rotorfluxpositie te volgen. In het geval van PMSM is de rotorflux vast bepaald door de magneet, dus er is geen behoefte aan het creëren van een flux. Daarom, bij het regelen van een PMSM, zou isdref gelijk moeten zijn aan nul. Aangezien asynchrone motoren een rotorfluxcreatie nodig hebben om te werken, moet de fluxreferentie niet gelijk zijn aan nul. Dit elimineert gemakkelijk een van de belangrijkste tekortkomingen van de "klassieke" regelstructuren: de overdraagbaarheid van asynchrone naar synchrone aandrijvingen. De uitvoer van de PI-regelaars zijn Vsdref en Vsqref. Ze worden toegepast op het inverse Park-transformatieblok. De uitvoer van deze projectie zijn Vsαref en Vsβref worden ingevoerd in het blok voor de ruimtevector pulse breedtemodulatie (SVPWM). De uitvoer van dit blok geeft signalen die de inverter sturen. Hier zijn zowel de Park- als de inverse Park-transformaties afhankelijk van de rotorfluxpositie. Daarom is de rotorfluxpositie essentieel voor FOC.
De evaluatie van de rotorfluxpositie verschilt als we de synchrone of asynchrone motor beschouwen.
