Fältorienterad reglering
AC induktionsmotorer erbjuder beundransvärda driftsegenskaper som robusthet, tillförlitlighet och lätthet att styras. De används omfattande i olika tillämpningar, från industriella rörelsekontrollsystem till hushållsapparater. Dock är det en utmanande uppgift att använda induktionsmotorer vid högsta effektivitet på grund av deras komplexa matematiska modell och icke-linjära karaktär under mättnad. Dessa faktorer gör kontrollen av induktionsmotorer svår och kräver användning av högpresterande styralgoritmer såsom vektorreglering.
Introduktion till fältorienterad reglering
Skalär reglering som "V/Hz"-strategin har sina begränsningar vad gäller prestanda. Skalär regleringsmetod för induktionsmotorer genererar oscillationer i den producerade momentet. För att uppnå bättre dynamisk prestanda behövs en mer överlägsen regleringsmetod för induktionsmotorer. Med de matematiska bearbetningsmöjligheter som erbjuds av mikrokontroller, digitala signalprocessorer och FGPA kan avancerade regleringsstrategier implementeras för att separera momentgenerering och magnetisering i en AC-induktionsmotor. Denna separerade moment och magnetiseringsflöde kallas vanligtvis rotor Fältorienterad reglering (FOC).
Fältorienterad reglering beskriver sättet på vilket kontrollen av moment och hastighet baseras direkt på motorns elektromagnetiska tillstånd, liknande en DC-motor. FOC är den första tekniken som styr de "verkliga" motorkontrollvariablerna moment och flöde. Genom att separera stator strömmens komponenter (magnetiseringsflöde och moment), kan den momentproducerande komponenten av statorflödet kontrolleras oberoende. På låga hastigheter kan magnetiseringsstatusen för motorn bibehållas på lämpligt nivå, och momentet kan regleras för att styra hastigheten.
"FOC har endast utvecklats för högpresterande motorapplikationer som kan fungera smidigt över ett brett hastighetsområde, kan producera full moment vid nollhastighet, och är kapabel till snabb acceleration och deceleration."
Arbetsprincip för fältorienterad reglering
Fältorienterad reglering består av att styra statorströmmarna representerade av en vektor. Denna reglering bygger på projektioner som transformerar ett trefas-system som är beroende av tid och hastighet till ett tvådimensionellt, tidsinvariant system (d- och q-ram). Dessa transformationer och projektioner leder till en struktur liknande den för en DC-motors reglering. FOC-maskiner behöver två konstanter som inmatningsreferenser: momentkomponenten (alinierad med q-koordinaten) och flödeskomponenten (alinierad med d-koordinaten).
Trefasspanningar, strömmar och flöden hos AC-motorer kan analyseras i termer av komplexa rymdsvektorer. Om vi tar ia, ib, ic som momentana strömmar i statorfaserna, då definieras stator strömningsvektorn enligt följande:
Där, (a, b, c) är axlarna för tre fas-system.
Denna strömningsvektor representerar det trefasiga sinusformade systemet. Den måste transformeras till ett tvådimensionellt, tidsinvariant koordinatsystem. Denna transformation kan delas in i två steg:
(a, b, c) → (α, β) (Clarke-transformationen), vilket ger utdata av ett tvådimensionellt, tidsvarierande koordinatsystem.
(α, β) → (d, q) (Park-transformationen), vilket ger utdata av ett tvådimensionellt, tidsinvariant koordinatsystem.
(a, b, c) → (α, β) Projektion (Clarke-transformation)
Trefasskvantiteter antingen spänningar eller strömmar, varierande i tid längs axlarna a, b, och c kan matematiskt transformeras till tvåfasspänningar eller strömmar, varierande i tid längs axlarna α och β genom följande transformationsmatris:
Antag att axeln a och axeln α är i samma riktning och β är ortogonal till dem, då har vi följande vektor-diagram:
Ovanstående projektion modifierar det trefasiga systemet till (α, β) tvådimensionellt ortogonalt system enligt nedan:
Men dessa tvåfase (α, β) strömmar beror fortfarande på tid och hastighet.
(α, β) → (d.q) projektion (Park-transformation)
Denna är den viktigaste transformationen i FOC. I själva verket modifierar denna projektion det tvåfase fasta ortogonala systemet (α, β) till ett roterande referenssystem (d, q). Transformationsmatrisen ges nedan:
Där, θ är vinkeln mellan det roterande och det fasta koordinatsystemet.
Om du antar att d-axeln är alinierad med rotorflödet, visar figur 2 relationen mellan de två referensramarna för strömningsvektorn:
Där, θ är rotorflödets position. Moment- och flödeskomponenterna av strömningsvektorn bestäms av följande ekvationer:
Dessa komponenter beror på strömningsvektorns (α, β) komponenter och på rotorflödets position. Om du känner till den exakta rotorflödespositionen, kan d- och q-komponenterna enkelt beräknas med ovanstående ekvation. Vid detta tillfälle kan momentet direkt styras eftersom flödeskomponenten (isd) och momentkomponenten (isq) nu är oberoende.
Grundläggande modul för fältorienterad reglering
Statorfasströmmar mäts. Dessa mätta strömmar matas in i Clarke-transformationsblocket. Utdata från denna projektion benämns isα och isβ. Dessa två komponenter av strömmen går in i Park-transformationsblocket som ger strömmen i d, q-referensramen. isd och isq-komponenterna jämförs med referenserna: isdref (flödesreferensen) och isqref (momentreferensen). Vid detta tillfälle har reglerstrukturen en fördel: den kan användas för att styra antingen synkrona eller induktionsmaskiner genom att enkelt ändra flödesreferensen och spåra rotorflödets position. I fallet med PMSM är rotorflödet fastställt av magneter, så det finns ingen anledning att skapa ett. Därför, när man styr en PMSM, bör isdref vara lika med noll. Eftersom induktionsmotorer behöver en rotorflödesgeneration för att kunna fungera, får inte flödesreferensen vara lika med noll. Detta eliminerar enkelt en av de stora bristerna i "klassiska" reglerstrukturer: portabiliteten från asynkrona till synkrona drivsystem. Utdata från PI-regulatorerna är Vsdref och Vsqref. De appliceras på invers-Park-transformationsblocket. Utdata från denna projektion är Vsαref och Vsβref som matas in i rumsvektorimpulssviddbeläggningsalgoritmen (SVPWM). Utdata från detta block ger signaler som driver inverteraren. Här behöver både Park- och invers-Park-transformationerna rotorflödespositionen. Så rotorflödespositionen är essentiell för FOC.
Utvärderingen av rotorflödespositionen skiljer sig åt beroende på om vi betraktar synkrona eller induktionsmotorer.
