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Al diseñar el control de frecuencia de un propulsor eléctrico, existe la necesidad de construir modelos adecuados que tengan plenamente en cuenta las características específicas de los procesos electromecánicos en curso en el motor. Para probar los modelos, es necesario compararlos con un proceso implementado físicamente en equipos reales; en este sentido, es necesario determinar los parámetros de los motores eléctricos reales para verificar la idoneidad del modelo. El artículo describe un modelo matemático de control vectorial de un motor eléctrico asíncrono. El modelo le permite monitorear los procesos electromecánicos en un motor eléctrico durante su funcionamiento. Se obtuvieron gráficas de procesos transitorios mecánicos y eléctricos que caracterizan el arranque de un motor eléctrico. Se ha construido una característica mecánica del motor eléctrico con control vectorial, mostrando claramente el aumento en el rango de carga. Se evaluó la adecuación del modelo. Se llevaron a cabo experimentos matemáticos y creación de modelos en entorno gráfico modelado de simulación Simulink es una aplicación del paquete Matlab.

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modelo matemático

caracteristicas mecanicas

control de vectores

motor asíncrono

1. Vinogradov A.B. Control vectorial de accionamientos eléctricos. C.A./ GOU VPO “Universidad Estatal de Energía de Ivanovo que lleva el nombre de V.I. Lenin". – Ivánovo, 2008. – 297 p.

2. Likhodedov A.D. Construcción de una característica mecánica de un motor asíncrono y su prueba // Problemas contemporáneos ciencia y educación. – 2012. – N° 5. – URL: http://www..09.2012).

3. Usoltsev A.A. Control vectorial de motores asíncronos: manual de entrenamiento en disciplinas del ciclo electromecánico. – San Petersburgo, 2002.

4. Shuvalov G.A. Ahorro de electricidad mediante convertidor de frecuencia // Equipo eléctrico: operación y reparación. – 2012. – N° 2.

5. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen (en alemán), Siemens-Zeitschrift 45, Heft 10, 1971.

6. PLC: ¡¡es fácil!! Control de vectores. – URL: http://plc24.ru/vektornoe-upravlenie/ (fecha de acceso: 12/09/2012).

Desarrollo de accionamiento eléctrico asíncrono con control vectorial.

Se acostumbra distinguir entre dos métodos principales para controlar accionamientos eléctricos de CA que utilizan convertidores de frecuencia semiconductores como convertidores de energía: frecuencia y vector.

Con el control de frecuencia en el accionamiento eléctrico, se implementa una de las leyes estáticas. control de frecuencia(por ejemplo, etc.). A la salida del sistema de control se genera una tarea para la frecuencia y amplitud de la tensión de salida del inversor. El ámbito de aplicación de dichos sistemas: accionamiento eléctrico asíncrono, que no tiene mayores requisitos estáticos y dinámicos, ventiladores, bombas y otros mecanismos industriales en general.

Con el control vectorial el control se realiza en base a los valores instantáneos de las variables. en digitales sistemas vectoriales El control se puede realizar utilizando variables equivalentes (promediadas sobre el intervalo discreto de control).

En 1971, Blaschke propuso el principio de construir un sistema de control para un motor asíncrono, que utilizaba un modelo vectorial del motor con la orientación del sistema de coordenadas a lo largo del varillaje de flujo del rotor. Este principio también se denomina control directo del par. El control vectorial le permite aumentar significativamente el rango de control, la precisión del control y aumentar la velocidad del accionamiento eléctrico. Este método proporciona control directo del par del motor.

El par está determinado por la corriente del estator, que crea un campo magnético excitante. Al controlar directamente el par, es necesario cambiar, además de la amplitud, la fase de la corriente del estator, es decir, el vector de corriente. De aquí proviene el término “control de vectores”.

Para controlar el vector de corriente y, en consecuencia, la posición del flujo magnético del estator con respecto al rotor giratorio, es necesario conocer la posición exacta del rotor en cualquier momento. El problema se puede resolver usando sensor remoto posición del rotor, o determinando la posición del rotor mediante cálculos basados ​​en otros parámetros del motor. Como parámetros se utilizan las corrientes y tensiones de los devanados del estator.

Menos costoso es un variador de frecuencia con control vectorial sin sensor. comentario velocidad, sin embargo, el control vectorial requiere un gran volumen y una alta velocidad de cálculos del convertidor de frecuencia. Además, para el control directo del par a velocidades de rotación bajas, cercanas a cero, es imposible el funcionamiento de un accionamiento eléctrico de frecuencia variable sin retroalimentación de velocidad. El control vectorial con un sensor de retroalimentación de velocidad proporciona un rango de control de hasta 1:1000 y superior, la precisión del control de velocidad es de centésimas de porcentaje y la precisión del par es de unos pocos por ciento.

El suministro de energía del IM y SM en modo de control vectorial se realiza desde un inversor, que puede proporcionar la amplitud y posición angular requeridas del vector de voltaje (o corriente) del estator en cualquier momento. La amplitud y la posición del vector de enlace del flujo del rotor se miden utilizando un observador (un aparato matemático que permite restaurar parámetros no medidos del sistema). Dependiendo de las condiciones de funcionamiento del accionamiento eléctrico, es posible controlar el motor eléctrico tanto en modos con precisión normal como en modos con mayor precisión en el procesamiento de la tarea de velocidad o par. Por ejemplo, un convertidor de frecuencia proporciona una precisión de mantenimiento de la velocidad de rotación de ±2-3% en modo U/f, con control vectorial sin sensor de velocidad de ±0,2%, con control vectorial completo con sensor de velocidad una precisión de ± Se proporciona el 0,01%.

Principio general Control vectorial IM

En el futuro, utilizaremos los siguientes índices de sistemas de coordenadas: a-b - sistema de coordenadas fijo (), orientado a lo largo del eje de la fase a del devanado del estator; x-y - sistema de coordenadas que gira sincrónicamente con el rotor () y está orientado a lo largo del eje de fase a de su devanado; d-q - sistema de coordenadas que gira sincrónicamente con el varillaje de flujo del rotor () y está orientado en su dirección; m-n es un sistema de coordenadas orientado arbitrariamente que gira a una velocidad arbitraria.

El principio general de modelar y construir un sistema de control IM es que para ello se utiliza un sistema de coordenadas, orientado constantemente en la dirección de cualquier vector que determine el par electromagnético. Entonces la proyección de este vector sobre el otro eje de coordenadas y el término correspondiente en la expresión del par electromagnético será igual a cero, y formalmente toma la forma idéntica a la expresión del par electromagnético del motor. corriente continua, que es proporcional en magnitud a la corriente del inducido y al flujo magnético principal.

En el caso de la orientación del sistema de coordenadas a lo largo del varillaje de flujo del rotor ( ) el momento se puede representar como:

, (1)

donde es la inductancia de fuga del circuito del rotor, es la inductancia del circuito de magnetización, es el número de pares de polos y es la proyección de las corrientes del estator sobre los ejes del sistema de coordenadas.

Por esta expresión Es posible, siempre que el enlace de flujo del rotor sea constante, controlar el par electromagnético cambiando la proyección de la corriente del estator sobre el eje transversal. La elección de la ecuación para construir un sistema de control juega un papel importante, porque Muchas cantidades, especialmente en el caso de la presión arterial en cortocircuito, no se pueden medir. Además, esta elección afecta significativamente la complejidad de las funciones de transferencia del sistema, aumentando a veces el orden de las ecuaciones varias veces.

Para construir un sistema de control vectorial IM, es necesario seleccionar el vector con respecto al cual se orientará el sistema de coordenadas y la expresión correspondiente para el par electromagnético, y luego determinar las cantidades incluidas en él a partir de las ecuaciones para el estator y/o circuito rotor (2):

, (2, una)

, (2,b)

¿Dónde está el voltaje de los devanados del estator? forma vectorial; - resistencias activas devanados de estator y rotor; los componentes están asociados con cambios en el enlace de flujo a lo largo del tiempo debido a cambios en las corrientes a lo largo del tiempo y se denominan transformación fem, por analogía con los procesos de su excitación en la máquina eléctrica correspondiente; componentes, - están asociados con un cambio en el enlace de flujo debido a la rotación del rotor y se denominan fem rotacional.

Si seleccionamos el enlace de flujo del rotor como vector de referencia y lo orientamos a lo largo sistema de coordenadas para que su eje real coincida con la dirección , entonces la frecuencia angular de rotación del sistema de coordenadas será igual a la frecuencia angular de la alimentación del estator, ya que Los vectores de flujo del estator y del rotor giran a la misma frecuencia. El uso del vector de enlace de flujo del rotor proporciona teóricamente una mayor capacidad de sobrecarga del IM.

En este caso, las proyecciones del vector de corriente del estator, teniendo en cuenta que , son iguales a:

(3)

¿Dónde es la constante de tiempo electromagnética del rotor?

Expresemos el enlace de flujo y la frecuencia angular del rotor:

(4)

Así, utilizando la proyección de la corriente del estator, se puede controlar el enlace de flujo del rotor, y la función de transferencia de este canal corresponde a un enlace aperiódico con una constante de tiempo igual a la constante de tiempo del rotor; y con la ayuda de la proyección es posible controlar de forma independiente y sin inercia la frecuencia del rotor.

En este caso, el par electromagnético del IM se puede determinar conociendo la frecuencia de las corrientes del rotor para un enlace de flujo determinado:

, (5)

Expresiones: determine la relación entre las proyecciones de la corriente del estator en los ejes de coordenadas, el enlace de flujo, la frecuencia del rotor y el par electromagnético del IM. De la expresión y ecuación del movimiento se deduce que el par puede controlarse sin inercia mediante dos señales de entrada: enlace de flujo y frecuencia del rotor. Estas señales están relacionadas con las proyecciones del vector de corriente del estator mediante expresiones. Por tanto, el dispositivo de control vectorial contiene una unidad de desacoplamiento de coordenadas (RC), que realiza transformaciones de acuerdo con las expresiones (3), así como un rotador que hace girar el vector de corriente del estator en la dirección opuesta a la rotación del rotor IM. Señales de entrada para el dispositivo de control habrá un voltaje de red lineal y una frecuencia de voltaje de suministro correspondiente al enlace de flujo y la frecuencia del rotor. El nombre de bloque de desacoplamiento de coordenadas proviene de su función de generar señales correspondientes a proyecciones independientes (desacopladas, separadas) del vector de corriente del estator (Figura 1).

Arroz. 1. diagrama de bloques bloque de desacoplamiento de coordenadas.

De la expresión para el momento electromagnético (5) y ecuación general movimiento, puede obtener la función de transferencia del IM utilizando el canal de control de frecuencia del rotor:

¿Dónde es la constante de tiempo mecánica? Esta función de transferencia es totalmente consistente con un motor de CC, por lo que la construcción de sistemas de accionamiento eléctrico con control vectorial de IM no es diferente de los motores de CC.

Cabe señalar que el dispositivo de control puede realizar sus funciones sólo con la condición de que los parámetros IM incluidos en las funciones de transferencia de sus enlaces correspondan a los valores verdaderos; de lo contrario, el enlace de flujo y la frecuencia del rotor en el IM y en el dispositivo de control se alterarán. difieren entre sí. Esta circunstancia crea importantes dificultades a la hora de implementar sistemas de control de vectores en la práctica, porque Los parámetros de presión arterial cambian durante la operación. Esto se aplica especialmente a los valores de las resistencias activas.

Descripción matemática de transformaciones de coordenadas.

Si el vector actual se representa en un sistema de coordenadas fijo (a, b), entonces la transición a nuevo sistema Las coordenadas (x,y), rotadas con respecto a la original en un cierto ángulo (Figura 2a), se obtienen a partir de la siguiente relación de argumentos de números complejos:

O (7)

Arroz. 2. Vector actual generalizado en varios sistemas de coordenadas.

Para un sistema de coordenadas que gira con una frecuencia angular constante, el ángulo es igual a.

La transformación de coordenadas se puede escribir en forma expandida de la siguiente manera:

Desde aquí puedes encontrar los componentes del vector en forma matricial:

, (9)

donde , son los valores instantáneos de las corrientes de los devanados correspondientes.

Un elemento necesario del sistema de control de vectores IM es un rotador que transforma las coordenadas vectoriales de acuerdo con la expresión (9).

Para transformar variables del sistema de coordenadas (d,q) al sistema de coordenadas (a, b), utilizamos las siguientes ecuaciones:

donde γ es el ángulo de orientación del campo. El diagrama de bloques del rotador se muestra en la Figura 3.

Arroz. 3. Diagrama de bloques del rotador.

Modelo matemático de presión arterial.

El motor asíncrono se modela en el sistema de coordenadas: α, β. Las ecuaciones correspondientes a este sistema de coordenadas se describen mediante el sistema de ecuaciones:

(11)

donde: , , , - componentes de los vectores de enlace de flujo del estator y del rotor en sistemas de coordenadas; , - componentes del vector de tensión del estator en sistemas de coordenadas; - resistencia activa de los devanados del estator y del rotor; - inductancias totales de los devanados del estator y del rotor (17), (18); - coeficientes de acoplamiento electromagnético del estator y del rotor (12), (13); p - número de pares de polos; - velocidad mecánica del rotor; J es el momento de inercia del rotor del motor; - momento de resistencia en el eje del motor.

Los valores de las inductancias totales de los devanados y los coeficientes de acoplamiento electromagnético del estator y rotor se calculan mediante las fórmulas:

donde: - inductancia de fuga; - inductancia del circuito de magnetización,

Dónde: - reactancia inductiva dispersión de los devanados del estator y del rotor; - reactancia inductiva del circuito de magnetización; f es la frecuencia del voltaje suministrado al estator.

Al resolver un sistema de ecuaciones diferenciales en coordenadas (11), es posible obtener una característica mecánica dinámica y características de tiempo. variables de estado(por ejemplo, par y velocidad), que dan una idea de los procesos que ocurren en el motor. Los componentes del voltaje suministrado al devanado del estator del motor se calculan mediante la fórmula:

(19)

donde U - valor efectivo tensión suministrada al estator.

Resolver las ecuaciones se reduce a integrar los lados izquierdo y derecho de cada ecuación diferencial del sistema:

(20)

Las dependencias actuales se calculan mediante las ecuaciones:

(21)

Los datos del pasaporte AD DMT f 011-6у1 se dan en el artículo.

La Figura 4 muestra un modelo de un IM controlado por la corriente del estator en un sistema de coordenadas orientado a lo largo del enlace de flujo del rotor.

Arroz. 4. Modelo de control de vectores IM en el entorno Simulink:

ANUNCIO - motor asíncrono;

УУ - dispositivo de control, que incluye: RK - unidad de desacoplamiento de coordenadas, R - rotador;

N es la carga, que también tiene en cuenta la resistencia de los rodamientos.

El modelo de control vectorial IM le permite monitorear los procesos electromagnéticos que ocurren en un motor asíncrono durante su funcionamiento.

El siguiente gráfico (Figura 5) muestra las características mecánicas de un motor eléctrico con control vectorial, obtenidas mediante modelado, en comparación con las características mecánicas de un motor eléctrico sin controlador, obtenidas en un experimento a escala real.

Arroz. 5. Comparación de características mecánicas.

Como puede verse en el gráfico, con el control vectorial, la característica mecánica de un motor asíncrono se vuelve rígida, como resultado de lo cual se expande el rango de sobrecarga. Los valores característicos en el rango de 0 a 153 Nm difieren ligeramente, el error es solo del 1,11%, por lo tanto, el modelo matemático resultante refleja adecuadamente el funcionamiento de un motor real y puede usarse para realizar experimentos en la práctica de la ingeniería.

Conclusión

El uso del control vectorial le permite controlar directamente el par electromagnético del motor eléctrico cambiando la amplitud y la fase del voltaje de suministro. Para controlar vectorialmente un motor asíncrono, primero es necesario reducirlo a una máquina bipolar simplificada, que tiene dos devanados en el estator y el rotor, según los cuales existen sistemas de coordenadas asociados con el estator, el rotor y el campo. El control vectorial implica la presencia de un modelo matemático de un motor eléctrico ajustable en el enlace de control.

Las características mecánicas obtenidas del funcionamiento del modelo descrito confirman la información teórica sobre el control de vectores. El modelo es adecuado y puede utilizarse para futuros experimentos.

Revisores:

Shvetsov Vladimir Alekseevich, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor del Departamento de RES KamchatSTU, Petropavlovsk-Kamchatsky.

Potapov Vadim Vadimovich, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor de la Universidad Federal del Lejano Oriente, Petropavlovsk-Kamchatsky.

Enlace bibliográfico

Likhodedov A.D., Portnyagin N.N. MODELADO DEL CONTROL VECTORIAL DE UN ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO ASÍNCRONO // Problemas modernos de la ciencia y la educación. – 2013. – nº 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8213 (fecha de acceso: 18/03/2019). Llamamos su atención sobre las revistas publicadas por la editorial "Academia de Ciencias Naturales".

• Tutorial

- ¿Qué es el control de vectores?
- Mantener la corriente a 90 grados.

El término "control vectorial" de motores eléctricos es familiar para cualquiera que haya estado al menos algo interesado en la cuestión de cómo controlar un motor de CA mediante un microcontrolador. Sin embargo, normalmente en cualquier libro sobre propulsores eléctricos, el capítulo sobre control de vectores se encuentra cerca del final y consta de un montón de fórmulas peludas con referencias a todos los demás capítulos del libro. ¿Por qué no quieres entender este problema en absoluto? E incluso las explicaciones más simples pasan por ecuaciones de equilibrio diferencial, diagramas vectoriales y muchas otras matemáticas. Debido a esto, intentos como este parecen encender de alguna manera el motor sin usar el hardware. Pero, de hecho, el control vectorial es muy simple si comprende el principio de su funcionamiento "con los dedos". Y entonces será más divertido lidiar con fórmulas si es necesario.

Principio de funcionamiento de una máquina síncrona.

Consideremos el principio de funcionamiento del motor de CA más simple: una máquina síncrona de imanes permanentes. Un ejemplo conveniente es una brújula: su aguja magnética es el rotor de una máquina síncrona y el campo magnético de la Tierra es el campo magnético del estator. Sin carga externa (y no la hay en la brújula, salvo fricción y fluido que amortigua las oscilaciones de la aguja), el rotor siempre está orientado a lo largo del campo del estator. Si sostenemos una brújula y giramos la Tierra debajo de ella, la aguja girará junto con ella, trabajando para mezclar el fluido dentro de la brújula. Pero hay una forma un poco más sencilla: puede tomar un imán externo, por ejemplo, en forma de varilla con polos en los extremos, cuyo campo es mucho más fuerte. campo magnético Tierra, llévala a la brújula desde arriba y gira el imán. La flecha se moverá siguiendo el campo magnético giratorio. En un motor síncrono real, el campo del estator es creado por electroimanes, bobinas con corriente. Los circuitos de devanado son complejos, pero el principio es el mismo: crean un campo magnético con el estator, dirigido en la dirección deseada y con la amplitud requerida. Veamos la siguiente figura (Figura 1). En el centro hay un imán, el rotor de un motor síncrono (la "flecha" de la brújula), y en los lados hay dos electroimanes, bobinas, cada una de las cuales crea su propio campo magnético, uno en el eje vertical y el otro. en la horizontal.

Figura 1. Principio de funcionamiento de una máquina eléctrica síncrona.

El flujo magnético de la bobina es proporcional a la corriente que circula en ella (en una primera aproximación). Nos interesará el flujo magnético del estator en el lugar donde se encuentra el rotor, es decir, en el centro de la imagen (despreciamos los efectos de borde, la dispersión y todo lo demás). Los flujos magnéticos de dos bobinas ubicadas perpendicularmente se suman vectorialmente, formando un flujo común para la interacción con el rotor. Pero como el flujo es proporcional a la corriente en la bobina, es conveniente dibujar los vectores de corriente directamente, alineándolos con el flujo. La figura muestra algunas corrientes. yo α Y yo β, creando flujos magnéticos a lo largo de los ejes α y β, respectivamente. Vector de corriente total del estator Es crea un flujo magnético del estator codirigido. Aquellos. esencialmente Es simboliza el imán externo que llevamos a la brújula, pero creado por electroimanes, bobinas con corriente.
En la figura, el rotor está ubicado en una posición arbitraria, pero desde esta posición el rotor tenderá a girar de acuerdo con el flujo magnético del estator, es decir por vector Es(La posición del rotor en este caso se muestra con la línea de puntos). En consecuencia, si aplica corriente solo a la fase α , digamos yo α= 1A, el rotor estará horizontal, y si está en β, verticalmente, y si aplica yo β= -1 Y luego girará 180 grados. Si suministra corriente yo α según la ley del seno, y yo β Según la ley del coseno del tiempo, se creará un campo magnético giratorio. El rotor lo seguirá y girará (como la aguja de una brújula sigue la rotación de un imán con la mano). Este principio básico funcionamiento de una máquina síncrona, en este caso bifásica con un par de ventajas.
Dibujemos una gráfica del par del motor en función de la posición angular del eje del rotor y el vector actual. Es Estator: característica angular de un motor síncrono. Esta dependencia es sinusoidal (Figura 2).

Figura 2. Característica angular de una máquina síncrona (aquí existe cierta confusión histórica con los signos de momento y ángulo, razón por la cual la característica a menudo se dibuja invertida con respecto al eje horizontal).

Para obtener este gráfico en la práctica, puede colocar un sensor de par en el eje del rotor y luego activar cualquier vector de corriente, por ejemplo, simplemente aplicar corriente a la fase α. El rotor girará a la posición adecuada, que debe tomarse como cero. Luego, a través del sensor de par, es necesario girar el rotor “a mano”, fijando el ángulo en el gráfico en cada punto. θ , que se giró, y el momento en que mostró el sensor. Aquellos. es necesario estirar el “resorte magnético” del motor a través del sensor de par. El momento más grande estará en un ángulo de 90 grados con respecto al vector actual (desde el principio). La amplitud del par máximo resultante Mmax es proporcional a la amplitud del vector de corriente aplicado. Si se aplica 1A, obtenemos, digamos, M max = 1 N∙m (newton*metro, unidad de medida del par), si aplicamos 2A, obtenemos M max = 2 N∙m.

De esta característica se deduce que el motor se desarrolla momento más grande, cuando el rotor está a 90° con respecto al vector actual. Dado que, al crear un sistema de control en un microcontrolador, queremos obtener el par más alto del motor con un mínimo de pérdidas, y las pérdidas, en primer lugar, son la corriente en los devanados, lo más racional es siempre configurar la corriente. vector a 90° con respecto al campo magnético del rotor, es decir perpendicular al imán en la Figura 1. Necesitamos cambiar todo al revés: el rotor no se mueve hacia el vector actual que configuramos, pero siempre configuramos el vector actual a 90° con respecto al rotor, sin importar cómo gire allí. , es decir. “clavar” el vector actual al rotor. Regularemos el par del motor por la amplitud de la corriente. Cuanto mayor es la amplitud, mayor es el par. Pero la frecuencia de rotación, la frecuencia de la corriente en los devanados ya no es "nuestro" asunto - qué sucede, cómo gira el rotor, así será - controlamos el par en el eje. Por extraño que parezca, esto es exactamente lo que se llama control vectorial: cuando controlamos el vector de corriente del estator de modo que esté a 90° con respecto al campo magnético del rotor. Aunque algunos libros de texto dan definiciones más amplias, hasta el punto de que el control de vectores generalmente se refiere a cualquier ley de control en la que estén involucrados "vectores", generalmente el control de vectores se refiere precisamente al método de control anterior.

Construyendo una estructura de control de vectores

Pero, ¿cómo se logra en la práctica el control de vectores? Obviamente, primero necesita saber la posición del rotor para tener algo con qué medir 90°. La forma más sencilla de hacerlo es instalando el sensor de posición en el eje del rotor. Entonces necesitas descubrir cómo crear un vector actual, manteniendo las corrientes deseadas en fases. α Y β . Aplicamos voltaje al motor, no corriente... Pero como queremos soportar algo, necesitamos medirlo. Por lo tanto, para el control vectorial necesitará sensores de corriente de fase. A continuación, debe ensamblar una estructura de control vectorial en forma de programa en un microcontrolador que hará el resto. Para que esta explicación no parezca una instrucción sobre “cómo dibujar un búho”, sigamos con la inmersión.
Puede mantener la corriente con el microcontrolador utilizando un software regulador de corriente PI (proporcional-integral) y PWM. Por ejemplo, a continuación se muestra una estructura con un regulador de corriente para una fase α (Figura 3).

Figura 3. Estructura de control cerrada de corriente para una fase.

Aquí está la configuración actual. yo α_back– una determinada constante, la corriente que queremos mantener para esta fase, por ejemplo 1A. La tarea se envía al sumador regulador actual, cuya estructura descrita se muestra arriba. Si el lector no sabe cómo funciona el controlador PI, ¡ay! Sólo puedo recomendar algo de esto. El regulador de corriente de salida establece el voltaje de fase. Uα. El voltaje se suministra al bloque PWM, que calcula la configuración del ciclo de trabajo (configuraciones de comparación) para los temporizadores PWM del microcontrolador, que generan PWM en un inversor puente de cuatro interruptores para generar esto. Uα. El algoritmo puede ser diferente, por ejemplo, para voltaje positivo, el PWM del bastidor derecho es proporcional a la configuración de voltaje, el interruptor inferior está cerrado a la izquierda, para PWM negativo, el interruptor izquierdo está cerrado, el interruptor inferior está cerrado A la derecha. ¡No olvides agregar tiempo muerto! Como resultado, dicha estructura convierte al software en una "fuente de corriente" a expensas de una fuente de voltaje: establecemos el valor que necesitamos yo α_back, A esta estructura lo implementa con cierta velocidad.

Además, quizás algunos lectores ya hayan pensado que la estructura de control vectorial está a solo una pequeña cuestión de distancia: es necesario instalar dos reguladores de corriente, un regulador para cada fase, y formar una tarea con ellos dependiendo del ángulo desde el sensor de posición del rotor ( RPS), es decir, e. Haga algo como esta estructura (Figura 4):

Figura 4. Estructura de control de vectores incorrecta (ingenua)

No puedes hacer eso. Cuando el rotor gira, las variables yo α_back Y yo β_volver será sinusoidal, es decir La tarea de los reguladores actuales cambiará todo el tiempo. La velocidad del controlador no es infinita, por lo que cuando la tarea cambia, no la procesa inmediatamente. Si la tarea cambia constantemente, el regulador siempre la alcanzará y nunca la alcanzará. Y al aumentar la velocidad del motor, el retraso corriente real a partir del dado será cada vez más hasta que el ángulo deseado de 90° entre la corriente y el imán del rotor deje de ser similar a él y el control vectorial deje de serlo. Por eso lo hacen de manera diferente. La estructura correcta es la siguiente (Figura 5):

Figura 5. Estructura de control del sensor vectorial para máquina síncrona bifásica

Aquí se han agregado dos bloques: BKP_1 y BKP_2: bloques de transformaciones de coordenadas. lo hacen muy cosa simple: rota el vector de entrada en un ángulo determinado. Además, BOD_1 se convierte en + ϴ y BKP_2 en - ϴ . Esa es toda la diferencia entre ellos. En la literatura extranjera se les llama transformaciones de Park. BKP_2 realiza transformación de coordenadas para corrientes: desde ejes fijos α Y β , ligado al estator del motor, a los ejes giratorios d Y q, atado al rotor del motor (usando el ángulo de posición del rotor ϴ ). Y BKP_1 hace la transformación inversa, desde establecer el voltaje a lo largo de los ejes d Y q hace la transición a los ejes α Y β . No proporciono ninguna fórmula para convertir coordenadas, pero son simples y muy fáciles de encontrar. En realidad, no hay nada más complicado que la geometría escolar (Figura 6):

Figura 6. Transformaciones de coordenadas de ejes fijos α y β, ligados al estator del motor, a ejes giratorios. d Y q, atado al rotor

Es decir, en lugar de "rotar" los ajustes de los reguladores (como era el caso en la estructura anterior), sus entradas y salidas giran y los propios reguladores funcionan en modo estático: corrientes d, q y las salidas de los controladores en estado estacionario son constantes. Ejes d Y q giran junto con el rotor (ya que son girados por una señal del sensor de posición del rotor), mientras que el regulador del eje q regula exactamente la corriente que al principio del artículo llamé “perpendicular al campo del rotor”, es decir, es una corriente generadora de par, y la corriente d está alineado con el “imán del rotor”, por lo que no lo necesitamos y lo igualamos a cero. Esta estructura no tiene el inconveniente de la primera: los reguladores actuales ni siquiera saben que algo está dando vueltas en alguna parte. Trabajan en modo estático: ajustaron cada una de sus corrientes, alcanzaron el voltaje especificado, y eso es todo, al igual que el rotor, no huyas de ellos, ni siquiera lo sabrán: todo el trabajo de El giro se realiza mediante bloques de transformación de coordenadas.

Para explicar “con los dedos” se puede dar alguna analogía.

Para el tráfico lineal, sea, por ejemplo, un autobús urbano. Acelera constantemente, luego frena, luego retrocede y en general se comporta como quiere: es el rotor de un motor. Además, estáis en un coche cercano, conduciendo en paralelo: vuestra tarea es estar exactamente en el centro del autobús: “mantened 90°”, sois los reguladores actuales. Si el autobús cambia de velocidad todo el tiempo, usted también debe cambiar la velocidad en consecuencia y monitorearla todo el tiempo. Pero ahora haremos el "control de vectores" por usted. Te subiste al autobús, te paraste en el medio y te agarraste del pasamano; como el autobús, no huyas, puedes hacer frente fácilmente a la tarea de "estar en el medio del autobús". De manera similar, los reguladores de corriente, "rodando" en los ejes de rotación d, q del rotor, viven una vida fácil.

La estructura anterior realmente funciona y se utiliza en accionamientos eléctricos modernos. Sólo que le faltan un montón de pequeñas “mejoras” sin las cuales ya no es habitual realizarlo, como la compensación por conexiones cruzadas, varias restricciones, debilitamiento del campo, etc. Pero este es el principio básico.

¿Y si necesita regular no el par de accionamiento, sino también la velocidad (la velocidad angular correcta, la frecuencia de rotación)? Bueno, entonces instalamos otro controlador PI: un controlador de velocidad (RS). Aplicamos un comando de velocidad a la entrada y en la salida tenemos un comando de par. Desde la corriente del eje q es proporcional al par, entonces, para simplificarlo, la salida del controlador de velocidad se puede alimentar directamente a la entrada del controlador de corriente del eje q, así (Figura 7):

Figura 7. Controlador de velocidad para control vectorial
Aquí el SI, el regulador de intensidad, cambia suavemente su salida para que el motor acelere al ritmo deseado y no conduzca a plena corriente hasta que se establezca la velocidad. Frecuencia actual rotación ω tomado del controlador del sensor de posición del rotor, ya que ω esta es la derivada de la posición angular ϴ . Bueno, o simplemente puedes medir el tiempo entre los pulsos del sensor...

¿Cómo hacer lo mismo para motor trifásico? Bueno, en realidad, nada especial, agrega otro bloque y cambia el módulo PWM (Figura 8).

Figura 8. Estructura de control del sensor vectorial para máquina síncrona trifásica

Las corrientes trifásicas, al igual que las bifásicas, tienen un propósito: crear un vector de corriente del estator. Es, dirigido en la dirección deseada y que tiene la amplitud deseada. Por lo tanto, las corrientes trifásicas se pueden convertir simplemente en bifásicas y luego dejar el mismo sistema de control que ya se ha ensamblado para una máquina bifásica. En la literatura inglesa, este "nuevo cálculo" se llama transformación de Clarke (Edith Clarke es ella), en nuestro país se llama transformaciones de fase. En consecuencia, en la estructura de la Figura 8, esta operación se realiza mediante un bloque de transformación de fase. Se vuelven a realizar utilizando el curso de geometría de la escuela (Figura 9):

Figura 9. Conversiones de fase: de tres fases a dos. Por conveniencia, asumimos que la amplitud del vector I s es igual a la amplitud de la corriente en la fase

Creo que no son necesarios comentarios. Unas pocas palabras sobre la corriente de la fase C. No es necesario instalar un sensor de corriente allí, ya que las tres fases del motor están conectadas en estrella y, según la ley de Kirchhoff, todo lo que fluye a través de dos fases debe salir de el tercero (a menos, por supuesto, que haya un agujero en el aislamiento de su motor y la mitad no se haya filtrado en algún lugar de la carcasa), por lo tanto, la corriente de la fase C se calcula como la suma escalar de las corrientes de las fases A y B con un signo menos. Aunque a veces se instala un tercer sensor para reducir el error de medición.

También se requiere una reelaboración completa del módulo PWM. Normalmente, se utiliza un inversor trifásico de seis interruptores para motores trifásicos. En la figura, el comando de tensión todavía llega en ejes bifásicos. Dentro del módulo PWM, mediante transformaciones de fase inversa, se puede convertir esta en voltajes de las fases A, B, C, que se deben aplicar al motor en este momento. Pero qué hacer a continuación... Las opciones son posibles. Un método ingenuo consiste en establecer un ciclo de trabajo para cada bastidor del inversor proporcional al voltaje deseado más 0,5. Esto se llama onda sinusoidal PWM. Este es exactamente el método que utilizó el autor en habrahabr.ru/post/128407. Todo está bien en este método, excepto que este método subutilizará el inversor de voltaje, es decir. el voltaje máximo que se obtendrá será menor que el que podría obtener si utilizara un método PWM más avanzado.

Hagamos los cálculos. Le permite tener un convertidor de frecuencia clásico alimentado por energía industrial. red trifásica 380V 50Hz. Aquí 380V es lineal (entre fases) voltaje efectivo. Como hay un rectificador en el convertidor, rectificará este voltaje y el bus de CC tendrá un voltaje igual a la amplitud voltaje de línea, es decir. 380∙√2=540V DC voltaje (al menos sin carga). Si aplicamos un algoritmo de cálculo sinusoidal en el módulo PWM, entonces la amplitud de la tensión de fase máxima que podemos alcanzar será igual a la mitad de la tensión en el bus de CC, es decir 540/2=270V. Convirtamos en fase efectiva: 270/√2=191V. Y ahora al lineal actual: 191∙√3=330V. Ahora podemos comparar: entraron 380V, pero salieron 330V... Y no se puede hacer nada más con este tipo de PWM. Para corregir este problema, se utiliza el llamado tipo vectorial PWM. Su salida volverá a ser de 380V (idealmente, sin tener en cuenta todas las caídas de voltaje). El método vectorial PWM no tiene nada que ver con el control vectorial de un motor eléctrico. Es solo que su fundamento nuevamente utiliza un poco de geometría escolar, por eso se llama vector. Sin embargo, su trabajo no se puede explicar con los dedos, por lo que remitiré al lector a libros (al final del artículo) o a Wikipedia. También puedo darles una imagen que insinúa ligeramente la diferencia en el funcionamiento de PWM sinusoidal y vectorial (Figura 10):

Figura 10. Cambio en los potenciales de fase para PWM escalar y vectorial

Tipos de sensores de posición

Por cierto, ¿qué sensores de posición se utilizan para el control vectorial? Hay cuatro tipos de sensores más utilizados. Se trata de un codificador incremental de cuadratura, un codificador basado en elementos Hall, un codificador de posición absoluta y un codificador síncrono.
codificador de cuadratura no indica la posición absoluta del rotor; por sus impulsos solo le permite determinar qué tan lejos ha viajado, pero no dónde ni desde dónde (cómo se relacionan el principio y el final con la ubicación del imán del rotor). Por tanto, no es adecuado para el control vectorial de una máquina síncrona. Su marca de referencia (índice) salva un poco la situación: por revolución mecánica solo hay una, si la alcanza, se conoce la posición absoluta y, a partir de ella, ya puede contar cuánto ha conducido usando una señal de cuadratura. Pero, ¿cómo llegar a esta marca al inicio del trabajo? En general, esto no siempre es conveniente.
Sensor de elemento Hall- Este es un sensor tosco. Produce sólo unos pocos impulsos por revolución (dependiendo del número de elementos Hall; en los motores trifásicos suele haber tres, es decir, seis impulsos), lo que permite conocer la posición en valor absoluto, pero con poca precisión. La precisión suele ser suficiente para mantener el ángulo del vector actual de modo que el motor al menos se mueva hacia adelante y no hacia atrás, pero el par y las corrientes pulsarán. Si el motor ha acelerado, puede comenzar a extrapolar mediante programación la señal del sensor a lo largo del tiempo, es decir, Construya un ángulo que varía linealmente a partir de un ángulo discreto aproximado. Esto se hace partiendo del supuesto de que el motor gira a aprox. velocidad constante, algo como esto (Figura 11):

Figura 11. Funcionamiento de un sensor de posición de elemento Hall para una máquina trifásica y extrapolación de su señal

A menudo se utiliza una combinación de un codificador y un sensor de efecto Hall para los servomotores. En este caso, puedes hacer un solo módulo de software su procesamiento, eliminando las desventajas de ambos: extrapolar el ángulo indicado anteriormente, pero no por tiempo, sino por marcas del codificador. Aquellos. Un codificador opera dentro del sensor Hall de borde a borde, y cada borde Hall inicializa claramente la posición angular absoluta actual. En este caso, sólo el primer movimiento del variador será no óptimo (no a 90°), hasta que llegue a algún frente del sensor Hall. Un problema aparte en este caso se trata del procesamiento de imperfecciones de ambos sensores; rara vez alguien dispone los elementos Hall de forma simétrica y uniforme...

En aplicaciones aún más caras utilizan codificador absoluto Con interfaz digital(codificador absoluto), que genera inmediatamente la posición absoluta y le permite evitar los problemas descritos anteriormente.

Si el motor eléctrico está muy caliente, y también cuando sea necesario mayor precisión mediciones de ángulos, utilice “analógico” sensor sincrónico(resolvedor, transformador giratorio). Se trata de una pequeña máquina eléctrica que se utiliza como sensor. Imaginemos que en la máquina síncrona que consideramos en la Figura 1, en lugar de imanes, hay otra bobina a la que aplicamos una señal de alta frecuencia. Si el rotor está horizontal, entonces la señal será inducida solo en la bobina del estator de fase. α , si es vertical, entonces solo en β , si lo giras 180 la fase de la señal cambiará, y en posiciones intermedias se induce aquí y allá según la ley del seno/coseno. Por consiguiente, midiendo la amplitud de la señal en dos bobinas se puede determinar también la posición a partir de la relación entre esta amplitud y el desfase. Al instalar una máquina como sensor en la principal, puede averiguar la posición del rotor.
Hay muchos sensores de posición más exóticos, especialmente para aplicaciones de ultra alta precisión, como la fabricación de chips electrónicos. Allí se utilizan todos los fenómenos físicos para determinar la posición con la mayor precisión posible. No los consideraremos.

Simplificando el control vectorial

Como comprenderá, el control vectorial es bastante exigente: proporcione sensores de posición, sensores de corriente, control vectorial PWM y ningún microcontrolador para calcular todas estas matemáticas. Por lo tanto para aplicaciones simples está simplificado. Para empezar, puede eliminar el sensor de posición realizando un control vectorial sin sensores. Para hacer esto, use un poco más de magia matemática, ubicada en el rectángulo amarillo (Figura 12):

Figura 12. Estructura de control vectorial sin sensores

Un observador es un bloque que recibe información sobre el voltaje aplicado al motor (por ejemplo, de un trabajo en el módulo PWM) y sobre las corrientes en el motor de los sensores. Dentro del observador hay un modelo de motor eléctrico que, en términos generales, intenta adaptar sus corrientes en el estator a las medidas en un motor real. Si lo logró, entonces podemos suponer que la posición del rotor simulada dentro del eje también coincide con la real y puede usarse para las necesidades de control vectorial. Bueno, esto, por supuesto, está completamente simplificado. Hay innumerables tipos de observadores como estos. Cada estudiante de posgrado especializado en propulsores eléctricos intenta inventar el suyo propio, que de alguna manera es mejor que otros. El principio básico es controlar la FEM del motor eléctrico. Por lo tanto, lo más frecuente es que un sistema de control sin sensores esté operativo sólo durante un tiempo relativamente largo. frecuencia alta rotación, donde la FEM es grande. También tiene una serie de desventajas en comparación con la presencia de un sensor: es necesario conocer los parámetros del motor, la velocidad de transmisión es limitada (si la velocidad de rotación cambia bruscamente, es posible que el observador no tenga tiempo de seguirlo y “mentirse”) "por algún tiempo, o incluso "desmoronarse" por completo), configurar un observador es todo un procedimiento para él trabajo de calidad necesita saber exactamente el voltaje del motor, medir con precisión sus corrientes, etc.

Hay otra opción de simplificación. Por ejemplo, puede realizar el llamado "cambio automático". En este caso, para un motor trifásico, se rechazan. método complejo PWM, abandonan la compleja estructura vectorial y comienzan a encender simplemente las fases del motor utilizando un sensor de posición en los elementos Hall, incluso a veces sin ninguna limitación de corriente. La corriente en las fases no es sinusoidal, sino trapezoidal, rectangular o incluso más distorsionada. Pero intentan asegurarse de que el vector de corriente promedio todavía esté a 90 grados con respecto al "imán del rotor" eligiendo el momento en que se encienden las fases. Al mismo tiempo, al encender la fase bajo voltaje, no se sabe cuándo aumentará la corriente en la fase del motor. A baja velocidad de rotación lo hace más rápido, a alta velocidad, donde interfiere la EMF de la máquina, lo hace más lentamente la tasa de aumento de corriente también depende de la inductancia del motor, etc. Por lo tanto, incluso incluyendo las fases exactamente en momento correcto tiempo, no es en absoluto un hecho que el vector actual promedio estará en en el lugar correcto y con la fase requerida, puede avanzar o retrasarse con respecto a los 90 grados óptimos. Por lo tanto, en tales sistemas, se introduce una configuración de "avance de conmutación", esencialmente solo el tiempo, cuánto antes se debe aplicar voltaje a la fase del motor, de modo que al final la fase del vector actual esté más cerca de 90 grados. En pocas palabras, esto se llama "establecer tiempos". Dado que la corriente en un motor eléctrico durante la conmutación automática no es sinusoidal, si toma la máquina sinusoidal discutida anteriormente y la controla de esta manera, el par en el eje pulsará. Por lo tanto, en los motores diseñados para autoconmutación, la geometría magnética del rotor y el estator a menudo se cambia de una manera especial para hacerlos más adecuados para este tipo de control: la EMF de tales máquinas se hace trapezoidal, por lo que funcionan mejor en Modo de conmutación automática. Las máquinas síncronas optimizadas para la conmutación automática se denominan motores sin escobillas corriente continua (BDDC) o en inglés BLDC (Brushless Direct Current Motor). El modo de conmutación automática también suele denominarse modo de válvula y los motores que funcionan con él son del tipo válvula. Pero todos estos son solo nombres diferentes que no afectan la esencia de ninguna manera (pero los operadores experimentados de propulsión eléctrica a menudo sufren de CPGS en asuntos relacionados con estos nombres). Hay un buen vídeo que ilustra el principio de funcionamiento de este tipo de máquinas. Muestra un motor invertido, con el rotor en el exterior y el estator en el interior:

Pero hay un curso de artículos sobre dichos motores y el hardware del sistema de control.

Puede optar por una simplificación aún mayor. Cambie los devanados para que una fase esté siempre "libre" y no se le aplique ningún PWM. Entonces es posible medir el EMF (voltaje inducido en la bobina de fase), y cuando este voltaje pase por cero, utilizarlo como señal del sensor de posición del rotor, porque la fase de este voltaje inducido depende precisamente de la posición del rotor. Esto da como resultado la conmutación automática sin sensores, que se utiliza ampliamente en varios accionamientos sencillos, por ejemplo, en los "reguladores" de hélices de modelos de aviones. Debe recordarse que la fuerza electromagnética de la máquina aparece solo a una velocidad de rotación relativamente alta, por lo tanto, para comenzar, dichos sistemas de control simplemente cambian de fase lentamente, con la esperanza de que el rotor del motor siga la corriente suministrada. Tan pronto como aparece el EMF, se activa el modo de conmutación automática. Por lo tanto, un sistema sin sensores (tan simple y, a menudo, también complejo) no es adecuado para tareas en las que el motor debe poder desarrollar par a velocidades cercanas a cero, por ejemplo, para la tracción de un automóvil (o su modelo). , un servoaccionamiento de algún mecanismo, etc. p. Pero el sistema sin sensores es adecuado para bombas y ventiladores donde se utiliza.

Pero a veces hacen simplificaciones aún mayores. Puede abandonar por completo el microcontrolador, las teclas, los sensores de posición y otras cosas cambiando las fases con un interruptor mecánico especial (Figura 13):

Figura 13. Interruptor mecánico para cambiar devanados.

Al girar, el propio rotor cambia sus partes de los devanados, cambiando el voltaje que se les aplica, mientras que una corriente alterna fluye en el rotor. El conmutador está colocado de tal manera que el flujo magnético del rotor y del estator se acerque nuevamente a los 90 grados para lograr el par máximo. Estos motores se llaman ingenuamente motores de CC, pero de forma completamente inmerecida: ¡en el interior, después del colector, la corriente sigue siendo alterna!

Conclusión

Todas las máquinas eléctricas funcionan de forma similar. En la teoría de los accionamientos eléctricos existe incluso el concepto de “máquina eléctrica generalizada”, a la que se reduce el trabajo de otros. Las explicaciones detalladas que se muestran en el artículo no pueden servir de ninguna manera. guia practica para escribir código de microcontrolador. El artículo analiza bien si el uno por ciento de la información que se requiere para implementar el control de vectores real. Para hacer algo en la práctica, primero es necesario conocer TAU, al menos al nivel de comprensión de cómo funciona el controlador PI. Entonces todavía necesitas estudiar la descripción matemática tanto de la máquina síncrona como de la síntesis del control vectorial. Estudie también el vector PWM, descubra qué son los pares de polos, familiarícese con los tipos de devanados de las máquinas, etc. Esto se puede hacer en el último libro “Anuchin A.S. Sistemas de control de accionamiento eléctrico. MPEI, 2015”, así como en “Kalachev Yu. Regulación de vectores (notas prácticas)”. Se debe advertir al lector que no se sumerja en las fórmulas de los libros de texto "antiguos" sobre accionamientos, donde el énfasis principal está en considerar las características de los motores eléctricos cuando se alimentan directamente desde una red trifásica. red industrial, sin microcontroladores ni sensores de posición. El comportamiento de los motores en este caso se describe mediante fórmulas y dependencias complejas, pero para el problema del control de vectores casi no sirven (si solo se estudian para el autodesarrollo). Se debe tener especial cuidado con las recomendaciones de los libros de texto antiguos, donde, por ejemplo, se dice que una máquina síncrona no debe funcionar con su par máximo, ya que el funcionamiento allí es inestable y amenaza con volcarse; todo esto es "un mal consejo". ”para el control de vectores.

Lea sobre qué microcontrolador puede realizar un control vectorial completo, por ejemplo, en nuestro artículo Nuevo microcontrolador de control de motor doméstico K1921VK01T JSC NIIET, y cómo depurarlo en el artículo Métodos para depurar el software del microcontrolador en un accionamiento eléctrico. Visite también nuestro sitio web: en particular, hay dos videos aburridos publicados allí, que muestran en la práctica cómo configurar un controlador de corriente PI, así como cómo funciona una estructura de control de corriente cerrada y sin sensores vectoriales. Además, puede comprar un kit de depuración con una estructura de control vectorial de sensor ya preparada en un microcontrolador doméstico.

Continuación del artículo, que habla de motores asíncronos.

PD
Pido disculpas a los expertos por el manejo no del todo correcto de algunos términos, en particular los términos “flujo”, “enlace de flujo”, “campo magnético” y otros: la simplicidad requiere sacrificio...

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Para implementar la capacidad de regular el par y la velocidad, los accionamientos eléctricos modernos utilizan los siguientes métodos de control de frecuencia, tales como:

• Vector;
• Escalar.

Los más extendidos son los accionamientos eléctricos asíncronos con control escalar. Se utiliza en accionamientos de compresores, ventiladores, bombas y otros mecanismos en los que es necesario mantener un cierto nivel o la velocidad de rotación del eje del motor eléctrico (usando un sensor de velocidad), o algún parámetro del proceso (por ejemplo, presión en una tubería, usando un sensor apropiado).

El principio de funcionamiento del control escalar de un motor asíncrono es que la amplitud y la frecuencia de la tensión de alimentación cambian según la ley U/f^n = const, donde n>=1. como se vera esta dependencia en un caso particular, depende de los requisitos impuestos por la carga al accionamiento eléctrico. Como regla general, la frecuencia actúa como una influencia independiente y el voltaje a una determinada frecuencia está determinado por el tipo de característica mecánica, así como por los valores de los pares críticos y de arranque. Gracias al control escalar se garantiza una capacidad de sobrecarga constante del motor asíncrono, independientemente de la frecuencia de la tensión y, sin embargo, a un nivel bastante bajo. bajas frecuencias Puede producirse una reducción significativa del par desarrollado por el motor. El valor máximo del rango de control escalar en el que es posible regular la velocidad de rotación del rotor del motor eléctrico sin perder el momento de resistencia no supera 1:10.

El control escalar de un motor de inducción es bastante sencillo de implementar, pero todavía existen dos inconvenientes importantes. En primer lugar, si no se instala un sensor de velocidad en el eje, entonces es imposible regular el valor de la velocidad de rotación del eje, ya que depende de la carga que actúa sobre el accionamiento eléctrico. La instalación de un sensor de velocidad resuelve fácilmente este problema, pero persiste otro inconveniente importante: la imposibilidad de regular el valor del par en el eje del motor. Por supuesto, es posible instalar un sensor de par, pero el coste de dichos sensores suele superar el coste del propio accionamiento eléctrico. Además, incluso si instala un sensor de control de par, el proceso de controlar este mismo par resultará increíblemente inercial. Otro "pero": el control escalar de un motor asíncrono se caracteriza por el hecho de que es imposible regular simultáneamente la velocidad y el par, por lo que es necesario regular el valor que en este momento El tiempo es más importante debido a las condiciones del proceso tecnológico.

Para eliminar las deficiencias del control de motores escalar, allá por el año 71 del siglo pasado, SIEMENS propuso la introducción de un método de control de motores vectorial. Los primeros accionamientos eléctricos con control vectorial utilizaban motores que tenían sensores de flujo integrados, lo que limitaba significativamente el alcance de dichos accionamientos.

El sistema de control de los accionamientos eléctricos modernos contiene modelo matemático motor, lo que le permite calcular la velocidad de rotación y el par del eje. Además, como sensores necesarios, sólo se instalan sensores de corriente de fase del estator del motor. La estructura especialmente diseñada del sistema de control garantiza la independencia y el control prácticamente sin inercia de los parámetros principales: par del eje y velocidad de rotación del eje.

A hoy Se han formado los siguientes sistemas de control vectorial para motores asíncronos:

• Sin sensor: no hay sensor de velocidad en el eje del motor,
• Sistemas con retroalimentación de velocidad.

El uso de métodos de control vectorial depende de la aplicación del accionamiento eléctrico. Si el rango de medición de velocidad no excede 1:100 y los requisitos de precisión varían dentro de ±1,5%, entonces se utiliza un sistema de control sin sensores. Si la medición de la velocidad se realiza en el rango de valores que alcanzan 1: 10000 o más, y el nivel de precisión debe ser bastante alto (±0,2% a velocidades inferiores a 1 Hz), o es necesario posicionar el eje o controlar el par en el eje a bajas velocidades, entonces se utiliza un sistema con retroalimentación de velocidad.

Ventajas del método vectorial para controlar un motor asíncrono:

• Alto nivel precisión al regular la velocidad de rotación del eje, a pesar de posible ausencia sensor de velocidad,
• El motor gira a bajas frecuencias sin sacudidas, suavemente,
• Si se instala un sensor de velocidad, es posible alcanzar el valor nominal del par en el eje incluso a velocidad cero.
• Respuesta rápida a posibles cambios de carga: los aumentos repentinos de carga prácticamente no afectan la velocidad del accionamiento eléctrico,
• Alto nivel de eficiencia del motor debido a la reducción de pérdidas por magnetización y calentamiento.

A pesar de ventajas obvias, el método de control vectorial también tiene ciertas desventajas: para su funcionamiento se requiere una gran complejidad de cálculos; Entre otras cosas, las fluctuaciones en el valor de la velocidad en carga constante significativamente más que con el método de control escalar. Por cierto, hay zonas en las que los accionamientos eléctricos se utilizan exclusivamente con un método de control escalar. Por ejemplo, un accionamiento eléctrico grupal en el que un convertidor alimenta varios motores.

control escalar(frecuencia): método de control de corriente alterna sin escobillas, que consiste en mantener una relación tensión/frecuencia (V/Hz) constante en todo el rango de velocidad de funcionamiento, controlando únicamente la magnitud y frecuencia de la tensión de alimentación.

La relación V/Hz se calcula en función de la clasificación (y frecuencia) del motor de CA que se está monitoreando. Al mantener constante la relación V/Hz, podemos mantener un flujo magnético relativamente constante en el espacio del motor. Si la relación V/Hz aumenta, el motor se sobreexcita y viceversa, si la relación disminuye, el motor se encuentra en un estado de subexcitación.

Modificación de la tensión de alimentación del motor con control escalar

A bajas velocidades es necesario compensar la caída de tensión a través de la resistencia del estator, por lo que la relación V/Hz a bajas velocidades se establece por encima del valor nominal. El método de control escalar se utiliza más ampliamente para controlar motores eléctricos asíncronos.

Aplicado a motores asíncronos.

Con el método de control escalar, la velocidad se controla ajustando el voltaje y la frecuencia del estator, de modo que el campo magnético en el espacio se mantenga en el valor deseado. Para mantener un campo magnético constante en el espacio, la relación V/Hz debe ser constante a diferentes velocidades.

A medida que aumenta la velocidad, la tensión de alimentación del estator también debe aumentar proporcionalmente. Sin embargo, la frecuencia síncrona de un motor asíncrono no es igual a la velocidad del eje, sino que depende de la carga. Por lo tanto, un sistema de control escalar de bucle abierto no puede controlar con precisión la velocidad cuando hay una carga presente. Para resolver este problema, se puede agregar al sistema retroalimentación de velocidad y, por lo tanto, compensación de deslizamiento.

Desventajas del control escalar

Método control escalar relativamente simple de implementar, pero tiene varios deficiencias significativas:
• En primer lugar, si no se instala un sensor de velocidad, no se puede controlar la velocidad de rotación del eje, ya que depende de la carga (la presencia de un sensor de velocidad resuelve este problema), y en caso de un cambio en la carga, se puede perder por completo. control;
• en segundo lugar, no se puede controlar. Por supuesto, este problema se puede resolver utilizando un sensor de par, pero el costo de su instalación es muy alto y probablemente será mayor que el del propio propulsor eléctrico. En este caso, el control del par será muy inercial;
• También es imposible controlar el par y la velocidad al mismo tiempo.

El control escalar es suficiente para la mayoría de tareas en las que se utiliza un accionamiento eléctrico con un rango de control de velocidad del motor de hasta 1:10.

Cuando hace falta máximo rendimiento, la posibilidad de regulación en amplia gama Se utilizan velocidades y la capacidad de controlar el par del motor eléctrico.

Según las últimas estadísticas, aproximadamente el 70% de toda la electricidad generada en el mundo se consume mediante accionamientos eléctricos. Y cada año este porcentaje crece.

Con un método correctamente seleccionado para controlar un motor eléctrico, es posible obtener la máxima eficiencia, el par máximo en el eje de la máquina eléctrica y al mismo tiempo aumentar rendimiento general mecanismo. Los motores eléctricos que funcionan de manera eficiente consumen un mínimo de electricidad y proporcionan la máxima eficiencia.

Para los motores eléctricos accionados por inversor, la eficiencia dependerá en gran medida del método de control elegido. maquina electrica. Sólo comprendiendo las ventajas de cada método podrán los ingenieros y diseñadores de sistemas de accionamiento obtener el máximo rendimiento de cada método de control.
Contenido:

Métodos de control

Muchas personas que trabajan en el campo de la automatización, pero que no están estrechamente involucradas en el desarrollo e implementación de sistemas de accionamiento eléctrico, creen que el control de un motor eléctrico consiste en una secuencia de comandos ingresados ​​mediante una interfaz desde un panel de control o una PC. Sí, desde el punto de vista de la jerarquía de gestión general. sistema automatizado Esto es correcto, pero todavía hay formas de controlar el motor eléctrico. Son estos métodos los que tendrán el máximo impacto en el rendimiento de todo el sistema.

Para motores eléctricos asíncronos conectados a un convertidor de frecuencia, existen cuatro métodos de control principales:

• U/f – voltios por hercio;
• U/f con codificador;
• Control vectorial de bucle abierto;
• Control vectorial de bucle cerrado;

Los cuatro métodos utilizan modulación de ancho de pulso PWM, que cambia el ancho de una señal fija variando la duración de los pulsos para crear una señal analógica.

La modulación por ancho de pulso se aplica a un convertidor de frecuencia utilizando un voltaje de bus de CC fijo. por apertura rápida y los cierres (más correctamente, conmutación) generan pulsos de salida. Variando la anchura de estos pulsos se obtiene una “onda sinusoidal” en la salida. frecuencia requerida. Incluso si la forma del voltaje de salida de los transistores es pulsada, la corriente aún se obtiene en forma de sinusoide, ya que el motor eléctrico tiene una inductancia que afecta la forma de la corriente. Todos los métodos de control se basan en la modulación PWM. La diferencia entre los métodos de control radica únicamente en el método de calcular el voltaje suministrado al motor eléctrico.

En este caso, la frecuencia portadora (mostrada en rojo) representa la frecuencia de conmutación máxima de los transistores. La frecuencia portadora de los inversores suele estar en el rango de 2 kHz - 15 kHz. La referencia de frecuencia (que se muestra en azul) es la señal de comando de frecuencia de salida. Para inversores aplicables en sistemas convencionales Los accionamientos eléctricos suelen estar en el rango 0 Hz – 60 Hz. Cuando se superponen señales de dos frecuencias, se emitirá una señal para abrir el transistor (indicado en negro), que suministra tensión de alimentación al motor eléctrico.

Método de control U/F

El control de voltios por Hz, más comúnmente conocido como U/F, es quizás el método de control más simple. A menudo se utiliza en sistemas de accionamiento eléctrico simples debido a su simplicidad y al mínimo número de parámetros necesarios para su funcionamiento. Este método de control no requiere instalación obligatoria codificador y ajustes obligatorios para el variador de frecuencia (pero recomendados). Esto conduce a menores costos de equipos auxiliares (sensores, cables de retroalimentación, relés, etc.). El control U/F se utiliza con bastante frecuencia en equipos de alta frecuencia; por ejemplo, se utiliza a menudo en máquinas CNC para impulsar la rotación del husillo.

El modelo de par constante tiene un par constante en todo el rango de velocidad con la misma relación U/F. El modelo de relación de par variable tiene más bajo voltaje comida en bajas velocidades. Esto es necesario para evitar la saturación de la máquina eléctrica.

U/F es la única forma de regular la velocidad de un motor eléctrico asíncrono, que permite controlar varios accionamientos eléctricos desde un convertidor de frecuencia. En consecuencia, todas las máquinas arrancan y se detienen simultáneamente y funcionan con la misma frecuencia.

Pero este método de control tiene varias limitaciones. Por ejemplo, cuando se utiliza el método de control U/F sin codificador, no hay absolutamente ninguna seguridad de que el eje de una máquina asíncrona gire. Además, el par de arranque de una máquina eléctrica a una frecuencia de 3 Hz está limitado al 150%. Sí, el par limitado es más que suficiente para adaptarse a la mayoría de los equipos existentes. Por ejemplo, casi todos los ventiladores y bombas utilizan el método de control U/F.

Este método es relativamente simple debido a sus especificaciones más flexibles. La regulación de velocidad suele estar en el rango del 2% al 3% de la frecuencia de salida máxima. La respuesta de velocidad se calcula para frecuencias superiores a 3 Hz. La velocidad de respuesta del convertidor de frecuencia está determinada por la velocidad de su respuesta a los cambios en la frecuencia de referencia. Cuanto mayor sea la velocidad de respuesta, más rápido responderá el motor eléctrico a los cambios en el ajuste de velocidad.

El rango de control de velocidad cuando se utiliza el método U/F es 1:40. Multiplicando esta relación por el máximo frecuencia de funcionamiento accionamiento eléctrico, obtenemos el valor de la frecuencia mínima a la que puede funcionar la máquina eléctrica. Por ejemplo, si valor máximo La frecuencia es de 60 Hz y el rango es 1:40, entonces el valor de frecuencia mínimo será 1,5 Hz.

El patrón U/F determina la relación entre la frecuencia y el voltaje durante el funcionamiento de un variador de frecuencia. Según él, la curva de ajuste de la velocidad de rotación (frecuencia del motor) determinará, además del valor de la frecuencia, también el valor de la tensión suministrada a los terminales de la máquina eléctrica.

Los operadores y técnicos pueden seleccionar el patrón de control U/F deseado con un parámetro en un convertidor de frecuencia moderno. Las plantillas preinstaladas ya están optimizadas para aplicaciones específicas. También hay oportunidades para crear sus propias plantillas que se optimizarán para un sistema de motor eléctrico o variador de frecuencia específico.

Dispositivos como ventiladores o bombas tienen un par de carga que depende de su velocidad de rotación. El par variable (imagen de arriba) del patrón U/F evita errores de control y mejora la eficiencia. Este modelo de control reduce las corrientes magnetizantes a bajas frecuencias al reducir el voltaje en la máquina eléctrica.

Los mecanismos de par constante, como transportadores, extrusoras y otros equipos, utilizan un método de control de par constante. Con carga constante es necesario. corriente completa Magnetización a todas las velocidades. Por consiguiente, la característica tiene una pendiente recta en todo el rango de velocidades.

Método de control U/F con codificador

Si es necesario aumentar la precisión del control de la velocidad de rotación, se agrega un codificador al sistema de control. La introducción de retroalimentación de velocidad mediante un codificador le permite aumentar la precisión del control al 0,03%. voltaje de salida seguirá estando determinado por el patrón U/F dado.

Este método de control no fue recibido. amplia aplicación, ya que las ventajas que ofrece respecto a las funciones U/F estándar son mínimas. El par de arranque, la velocidad de respuesta y el rango de control de velocidad son todos idénticos al U/F estándar. Además, cuando aumentan las frecuencias de funcionamiento pueden surgir problemas con el funcionamiento del codificador, ya que tiene un número limitado de revoluciones.

Control vectorial de bucle abierto

El control vectorial de bucle abierto (VC) se utiliza para un control de velocidad más amplio y dinámico de una máquina eléctrica. Al arrancar desde un convertidor de frecuencia, los motores eléctricos pueden desarrollar un par de arranque del 200% del par nominal a una frecuencia de sólo 0,3 Hz. Esto amplía significativamente la lista de mecanismos en los que se puede utilizar un accionamiento eléctrico asíncrono con control vectorial. Este método también le permite controlar el par de la máquina en los cuatro cuadrantes.

El par está limitado por el motor. Esto es necesario para evitar daños a equipos, maquinaria o productos. El valor de los pares se divide en cuatro cuadrantes diferentes, dependiendo del sentido de rotación de la máquina eléctrica (hacia adelante o hacia atrás) y dependiendo de si el motor eléctrico implementa. Los límites se pueden establecer para cada cuadrante individualmente, o el usuario puede configurar el par general en el convertidor de frecuencia.

El modo de motor de una máquina asíncrona estará condicionado a que el campo magnético del rotor vaya por detrás del campo magnético del estator. Si el campo magnético del rotor comienza a superar el campo magnético del estator, entonces la máquina entrará en modo de frenado regenerativo con liberación de energía, es decir, el motor asíncrono cambiará al modo de generador;

Por ejemplo, una máquina taponadora de botellas puede utilizar una limitación de torsión en el cuadrante 1 (dirección de avance con torsión positiva) para evitar que se apriete demasiado la tapa de una botella. El mecanismo avanza y utiliza punto positivo para enroscar la tapa de la botella. Pero un dispositivo como un ascensor con un contrapeso más pesado que la cabina vacía utilizará el cuadrante 2 (rotación inversa y par positivo). Si la cabina se eleva hasta el piso superior, entonces el par será opuesto a la velocidad. Esto es necesario para limitar la velocidad de elevación y evitar que el contrapeso caiga libremente, ya que es más pesado que la cabina.

La retroalimentación de corriente en estos convertidores de frecuencia permite establecer límites en el par y la corriente del motor eléctrico, ya que a medida que aumenta la corriente, el par también aumenta. El voltaje de salida del inversor puede aumentar si el mecanismo requiere la aplicación de un par mayor, o disminuir si se alcanza su par máximo. valor válido. Esto hace que el principio de control vectorial de una máquina asíncrona sea más flexible y dinámico en comparación con el principio U/F.

Además, los convertidores de frecuencia con control vectorial y bucle abierto tienen una respuesta de velocidad más rápida de 10 Hz, lo que permite su uso en mecanismos con cargas de choque. Por ejemplo, en las trituradoras de rocas, la carga cambia constantemente y depende del volumen y las dimensiones de la roca que se procesa.

A diferencia del patrón de control U/F, el control vectorial utiliza un algoritmo vectorial para determinar el máximo voltaje efectivo funcionamiento del motor eléctrico.

El control vectorial de la VU resuelve este problema debido a la presencia de retroalimentación sobre la corriente del motor. Por regla general, la realimentación de corriente la generan los transformadores de corriente internos del propio convertidor de frecuencia. Utilizando el valor de corriente obtenido, el convertidor de frecuencia calcula el par y el flujo de la máquina eléctrica. El vector de corriente básico del motor se divide matemáticamente en un vector de corriente magnetizante (I d) y par (I q).

Utilizando los datos y parámetros de la máquina eléctrica, el inversor calcula los vectores de la corriente magnetizante (I d) y el par (I q). Para lograr el máximo rendimiento, el convertidor de frecuencia debe mantener I d e I q separados por un ángulo de 90 0. Esto es significativo porque sen 90 0 = 1, y un valor de 1 representa el valor de par máximo.

En general, el control vectorial de un motor de inducción proporciona un control más estricto. La regulación de velocidad es aproximadamente ±0,2% de frecuencia máxima, y el rango de control alcanza 1:200, lo que le permite mantener el par cuando se opera a bajas velocidades.

Control de retroalimentación vectorial

El control vectorial de retroalimentación utiliza el mismo algoritmo de control que el VAC de bucle abierto. La principal diferencia es la presencia de un codificador, que permite que el variador de frecuencia desarrolle un par de arranque del 200% a 0 rpm. Este punto es simplemente necesario para crear un momento inicial al bajar de ascensores, grúas y otras máquinas elevadoras, para evitar que la carga se hunda.

La presencia de un sensor de retroalimentación de velocidad le permite aumentar el tiempo de respuesta del sistema a más de 50 Hz, así como ampliar el rango de control de velocidad a 1:1500. Además, la presencia de retroalimentación le permite controlar no la velocidad de la máquina eléctrica, sino el par. En algunos mecanismos, es el valor del par lo que tiene gran importancia. Por ejemplo, máquina bobinadora, mecanismos de obstrucción y otros. En tales dispositivos es necesario regular el par de la máquina.