Vektorové řízení motorů

Je typ řízení střídavých motorů.

Řízení AC motorů může být rozděleno do dvou hlavních skupin: skalární a vektorové řízení. Skalární řízení je založeno na používání vstupního frekvenčního měniče. Při tomto typu řízení je zachován konstantní poměr napětí ku frekvenci . Skalární řízení je levná a jednoduše aplikovatelná metoda, která je přesná ve stálých podmínkách, ale ne při změnách a přechodových stavech. Skalární metoda má mnoho využití v průmyslu, například: ventilace, pumpy a jiné zařízení, kde není třeba rychle regulovat změny. Vektorové metody ovládají proudy a díky tomu rychle reagují. Tyto metody splňují dynamické požadavky motorů, u kterých je vyžadována rychlá reakce. Jejich nevýhodou je větší komplexita a vyšší pořizovací ceny. Vektorové metody mohou být aplikovány pro dosažení rychlostí větších než nominálních za cenu úbytku točivého momentu (tzv. odbuzování). KOHLRUSZ, Gv a D. FODOR. Comparison of Scalar and Vector Control Strategies of Induction Motors. Hungarian Journal of Industrial Chemistry Veszprém [online]. 2.Veszprem, Hungary: University of Pannonia, Faculty of Engineering, 2011, 2011(39), 265-270. Dostupné z: doi:10.1515/422.

Třífázový elektromotor může být ovládán pomocí složitého prostorového vektoru, který reprezentuje všechny tři jeho fáze namísto použití tří samostatných regulátorů – jednoho pro každou fázi. V dnešní době se pro vektorové řízení používá buď Field-Oriented-Control (FOC) nebo Direct-Torque-Control (DTC).

V motoru se vyskytují dvě magnetická pole, statorové a rotorové, pokud jejich vektory míří stejným směrem, tak je soustava v klidu a negeneruje se žádný moment. Při zvětšování vzájemného úhlu se začíná tvořit moment, který je maximální na 90°. Snaha FOC je udržet pravý úhel mezi vektorem magnetického pole rotoru a vektorem magnetického pole statoru. Pro funkčnost FOC je potřeba znát úhlovou polohu rotoru (jeho vektoru magnetického pole). Z té se vyjádří potřebná orientace vektoru magnetického pole statoru. Poté je třeba regulovat tří-fázový proud k dosažení potřebného vektoru magnetického pole statoru.Pro jednoduší nastavení těchto dvou vektorů je vektor statoru rozdělen na dvě osy: Jedna rovnoběžná s vektorem rotoru, která se značí jako d-osa z anglického „direct axis“. Druhá osa, která svírá s přímou osou pravý uhel se značí q-osa z anglického „quadrature axis“. K dosažení nejvyššího točivého momentu je snaha snížit komponenty d-osy na nulu a tím maximalizovat q-osu.PYRHÖNEN, Juha, Valéria HRABOVCOVÁ a Scott SEMKEN, R. Electrical machine drives control: An introduction [online]. Chichester, United Kingdom: John Wiley & Sons, 2016. .

Celý průběh FOC je znázorněn na obrázku. Ze zdroje vstupuje do třífázového měniče stejnosměrné napětí. Informace o požadované velikosti proudů $I_q$ a $I_d$ přichází do PI regulátorů a poté výsledné vektory procházejí zpětnou Parkovou a Clarkovou transformací, z níž vystupuje údaj o potřebných velikostech proudů střídavého napětí. Ze třífázového měniče také vstupuje aktuální velikost proudu zpátky do FOC, kde prochází dopřednou Clarkovou a Parkovou transformací, aby byly odečteny od referenčních velikostí proudů. střed|Průběh vektorového řízení FOC Jelikož vektor magnetického pole statoru je tvořen třífázovým proudem musí se tento proud skládat z vektorů pólů. Na obrázku obr.~\ref{FOC1} je vyobrazen průběh tvoření vektoru. Červená, zelená a modrá šipka představuje jednotlivé proudové fáze, černá šipka je vektor rotoru a šedá je vektor statoru. Řízení tří sinusových proudů pomocí PI regulátorů je velmi obtížné a pro jednodušší nastavování těchto pólu se provádí Clarkova a Parkova transformace. střed ☢

Clarkova transformace Clarkova transformace zredukuje třífázové veličiny na dvě DC veličiny a je převede do ortogonálních souřadnic: $a,b,c \rightarrow \alpha,\beta$. Clarkova transformace je vyjádřena následujícími dvěma rovnicemi.Park, Inverse Park and Clarke, Inverse Clarke Transformations: MSS Software Implementation User Guide [online]. In: . Microsemi Corporate Headquarters, 2013, s. 1-20 Dostupné z: https://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/132799-park-inverse-park-and-clarke-inverse-clarke-transformations--mss-software-implementation-user-guide

,kde jsou třífázové veličiny a jsou veličiny stacionárního ortogonálního systému. Když se vyjádří , které jsou totožné, protože míří stejným směrem a  , tak mohou být veličiny vyjádřeny jako:

Řízení magnetického vektoru Na obrázku je zobrazeno řízení magnetického vektoru pomocí dvou ortogonálních vektorů vytvořených Clarkovou transformací. Černá šipka přestavuje vektor rotoru, šedá statoru. Vektor je označený oranžovou a vektor fialovou šipkou. Je snazší řídit dvě veličiny místo tří, ale s každou změnou natočení se mění velikost těchto vektorů a to značně znesnadňuje jejich řízení. střed

Poté, co proběhne i Parkova transformace a veličiny jsou regulovány, je třeba převést zpět do původního trojrozměrného souřadného systému. To se provádí zpětnou Clarkovou transformací, rovnice jsou vyjádřeny:

kde, jsou třífázové veličiny a jsou veličiny ortogonálního souřadného systému.

Parkova a zpětná Parkova transformace Pro správné řízení je třeba změnit souřadný systém ze statického (spojeného se statorem) na rotační (spojeného s rotorem) , což umožňuje Parkova transformace, která je vyjádřena pomocí následujících rovnic

kde, jsou veličiny rotačního souřadného systému, jsou veličiny ortogonálního statického souřadného systému a $\theta$ je úhel natočení rotoru. Na obrázku doel je zobrazeno skládání magnetického vektoru statoru pomocí proudu (světle modře) a (růžově), ty mění svůj úhel natočení vůči souřadnému systému statoru, ale velikosti těchto proudů jsou řízeny v souřadném systému rotoru. střed Pro zpětné převedení veličin do statického rotačního systému je používána zpětná Parkova transformace.

kde, jsou veličiny statického ortogonálního systému a jsou veličiny rotačního souřadnicového systému.

Reference

Kategorie:Technologie