Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Векторное управление , также называемое полевым управлением (FOC), представляет собой метод управления частотно-регулируемым приводом (VFD), в котором токи статора трехфазного электродвигателя переменного тока или бесщеточного электродвигателя постоянного тока идентифицируются как две ортогональные компоненты, которые можно визуализировать. с вектором. Один компонент определяет магнитный поток двигателя, другой - крутящий момент. Система управления привода вычисляет соответствующие задания компонентов тока на основе заданий магнитного потока и крутящего момента, заданных системой управления скоростью привода. Обычно пропорционально-интегральные (ПИ) контроллеры используются для поддержания измеренных компонентов тока на их эталонных значениях. Широтно-импульсная модуляциячастотно-регулируемого привода определяет переключение транзисторов в соответствии с заданными напряжениями статора, которые являются выходными сигналами ПИ-регуляторов тока. [1]

FOC используется для управления синхронными и асинхронными двигателями переменного тока . [2] Первоначально он был разработан для высокопроизводительных двигателей, которые должны работать плавно во всем диапазоне скоростей , генерировать полный крутящий момент при нулевой скорости и иметь высокие динамические характеристики, включая быстрое ускорение и замедление . Тем не менее, он становится все более привлекательным для приложений с более низкой производительностью, а также из-за размера двигателя FOC, стоимости и превосходства в снижении потребления энергии . [3] [4]Ожидается , что с увеличением вычислительной мощности микропроцессоров она в конечном счете почти повсеместно вытесняют одной переменной скалярного вольт -per- Герца (V / F) контроль. [5] [6]

История развития [ править ]

Блок-схема из заявки на патент США Блашке 1971 г.

К. Хассе из Технического университета Дармштадта и Ф. Блашке из Сименса впервые применили векторное управление двигателями переменного тока, начиная с 1968 и в начале 1970-х годов. Хассе с точки зрения предложения косвенной борьбы с переносчиками, Блашке с точки зрения предложения прямой борьбы с переносчиками. [7] [8] Вернер Леонхард из Технического университета Брауншвейга продолжил разработку методов FOC и сыграл важную роль в открытии возможностей для приводов переменного тока, которые могут стать конкурентоспособной альтернативой приводам постоянного тока . [9] [10]

Однако приводы переменного тока общего назначения стали доступны только после коммерциализации микропроцессоров , то есть в начале 1980-х годов. [11] [12] Препятствия на пути использования ВОП для приводов переменного тока включали более высокую стоимость и сложность, а также более низкую ремонтопригодность по сравнению с приводами постоянного тока, при этом для ВОП до этого момента требовалось множество электронных компонентов в виде датчиков, усилителей и так далее. [13]

Преобразование Парка давно широко используется при анализе и исследовании синхронных и асинхронных машин. Преобразование, безусловно, является единственной наиболее важной концепцией, необходимой для понимания того, как работает FOC, концепция была впервые концептуализирована в статье 1929 года, автором которой является Роберт Х. Парк . [14] Статья Пака заняла второе место по значимости среди всех работ по энергетике, когда-либо опубликованных в двадцатом веке. Новизна работы парка предполагает его способность к трансформации линейному любой связанной с ними машину дифференциального уравнения набора из одного со временем меняющихся коэффициентов к другому со временем инвариантным коэффициентам [15]в результате получается линейная инвариантная во времени система или система LTI.

Технический обзор [ править ]

Обзор основных конкурирующих платформ управления VFD:

ЧРП, с датчиком или без датчика
Скалярный контроль
 

Управление V / f (вольт на герц)

 
 
Векторное управление
DTC ( прямое управление крутящим моментом )
 

DSC (прямое самоконтроль)

 
 

SVM (пространственно-векторная модуляция)

 
 
FOC (Полевое управление)
 

Прямой FOC

 
 

Косвенный FOC

 
 
 
 

Хотя анализ управления приводом переменного тока может быть технически довольно сложным (см. Также раздел), такой анализ неизменно начинается с моделирования цепи приводного двигателя, используемой в соответствии с линиями сопровождающего графика потока сигналов и уравнений. [16]

Введение уравнения модели двигателя
куда
Обозначения основных параметров
яТекущий
kкоэффициент связи соответствующей обмотки
линдуктивность
рсопротивление
твремя
Ткрутящий момент
тыНапряжение
потокосцепление
нормализованное время
постоянная времени (TC) с нижним индексом
угловая скорость
общая индуктивность рассеяния
Подстрочные и надстрочные индексы
еэлектромеханический
яиндуцированное напряжение
kотносится к k-координатам
Lнагрузка
мвзаимная (индуктивность)
ммеханический (ТК, угловая скорость)
рротор
рноминальное значение
sстатор
обозначает переходную постоянную времени
График прохождения сигнала (SFG) для асинхронного двигателя
(d, q) Система координат, наложенная на трехфазный асинхронный двигатель [17]
Упрощенная блок-схема косвенного FOC [3] [9] : 111 [18]
Упрощенная блок-схема прямого FOC [19]
Блок-схема бессенсорного ВОК [16] [20]

При векторном управлении асинхронный или синхронный двигатель переменного тока управляется во всех рабочих условиях, как и двигатель постоянного тока с отдельным возбуждением . [21] То есть, двигатель переменного тока ведет себя как двигатель постоянного тока, в котором магнитная связь поля и потокосцепление якоря, создаваемые соответствующим током поля и якоря (или составляющей крутящего момента), выровнены ортогонально , так что при управлении крутящим моментом поле на потокосцепление это не влияет, что обеспечивает динамический отклик крутящего момента.

Векторное управление соответственно генерирует выходное напряжение трехфазного ШИМ- двигателя, полученное из комплексного вектора напряжения, для управления комплексным вектором тока, полученным из входного трехфазного тока статора двигателя, посредством проекций или вращений назад и вперед между трехфазной системой, зависящей от скорости и времени. и двухкоординатная во времени вращающаяся система отсчета этих векторов . [22]

Такой комплексный пространственный вектор тока статора может быть определен в системе координат (d, q) с ортогональными составляющими вдоль осей d (прямая) и q (квадратурная), так что составляющая потока магнитной связи поля тока выровнена вдоль оси d, а составляющая крутящего момента ток выровнен по оси q. [21] Система координат асинхронного двигателя (d, q) может быть наложена на мгновенную (a, b, c) трехфазную синусоидальную систему двигателя, как показано на сопроводительном изображении (фазы b и c не показаны для ясности). Компоненты вектора тока системы (d, q) допускают обычное управление, такое как пропорциональное и интегральное, или PI, управление , как в случае с двигателем постоянного тока.

Проекции, связанные с системой координат (d, q), обычно включают: [16] [22] [23]

  • Прямая проекция от мгновенных токов на (a, b, c) комплексное пространственное векторное представление токов статора трехфазной синусоидальной системы.
  • Прямая трехфазная проекция (a, b, c) -to- ( , ) с использованием преобразования Кларка . Реализации векторного управления обычно предполагают наличие незаземленного двигателя со сбалансированными трехфазными токами, так что необходимо измерять только две фазы тока двигателя. Кроме того, обратная двухфазная проекция ( , ) -в (a, b, c) использует пространственно-векторный ШИМ-модулятор или обратное преобразование Кларка и один из других ШИМ-модуляторов.
  • Прямая и обратная проекции « два-к-двум», ( , ) -в (d, q) и (d, q) -to- ( , ) с использованием преобразований Парка и обратного преобразования Парка соответственно.

Идея использования преобразования парка состоит в том, чтобы преобразовать систему трехфазных токов и напряжений в двухкоординатную линейную систему, не зависящую от времени. Благодаря созданию системы LTI позволяет использовать простые и легкие в реализации контроллеры PI, а также упрощает управление токами, создающими магнитный поток и крутящий момент.

Однако источники нередко используют комбинированное преобразование три в два, (a, b, c) -в (d, q) и обратные проекции.

Хотя вращение системы координат (d, q) может быть произвольно установлено на любую скорость, существует три предпочтительных скорости или системы отсчета: [17]

  • Стационарная система отсчета, в которой система координат (d, q) не вращается;
  • Синхронно вращающаяся система отсчета, в которой система координат (d, q) вращается с синхронной скоростью;
  • Система координат ротора, в которой система координат (d, q) вращается со скоростью ротора.

Таким образом, развязанные крутящий момент и токи возбуждения могут быть получены из исходных токов статора для разработки алгоритма управления. [24]

В то время как компоненты магнитного поля и крутящего момента в двигателях постоянного тока могут управляться относительно просто за счет отдельного управления соответствующими токами поля и якоря, экономичное управление двигателями переменного тока в приложениях с регулируемой скоростью потребовало разработки микропроцессорных средств управления [24], при этом все приводы переменного тока теперь используют мощная технология DSP ( цифровая обработка сигналов ). [25]

Инверторы могут быть реализованы либо как без датчиков, либо как FOC с обратной связью, при этом ключевым ограничением работы без обратной связи является минимальная скорость, возможная при 100% крутящем моменте, а именно около 0,8 Гц по сравнению с режимом покоя для работы с обратной связью. [9]

Существует два метода векторного управления: прямое или векторное управление с обратной связью (DFOC) и косвенное векторное управление или управление с прямой связью (IFOC), причем IFOC используется чаще, потому что в режиме замкнутого контура такие приводы легче работают во всем диапазоне скоростей от нулевой скорости до высокой. -скорость-ослабление поля. [26] В DFOC сигналы обратной связи по величине магнитного потока и углу рассчитываются напрямую с использованием так называемых моделей напряжения или тока. В IFOC, угол потока пространства упреждения и поток сигналов величины первых измерять тока статора и ротор скорость для получения потока , то угла пространства собственно путем суммирования угла ротора , соответствующий скорость вращения ротора и рассчитанного опорного значение скольжения угла , соответствующее частоте скольжения.[27] [28]

Бессенсорное управление приводами переменного тока (см. Блок-схему FOC без датчика) привлекательно с точки зрения стоимости и надежности. Бездатчиковое управление требует получения информации о скорости ротора из измеренных напряжений и токов статора в сочетании с модулями оценки разомкнутого контура или наблюдателями замкнутого цикла. [16] [20]

Заявление [ править ]

  1. Фазные токи статора измеряются, преобразуются в комплексный пространственный вектор в системе координат (a, b, c).
  2. Ток преобразуется в систему координат ( , ). Преобразованные к системе координат , вращающейся в роторной системе отсчета, положение ротора получается путем интегрирования скорости с помощью измерения скорости датчика.
  3. Вектор потокосцепления ротора оценивается путем умножения вектора тока статора на индуктивность намагничивания L m и низкочастотной фильтрации результата с постоянной времени холостого хода ротора L r / R r , а именно отношением индуктивности ротора к сопротивлению ротора.
  4. Текущий вектор конвертируется в систему координат (d, q).
  5. Компонент оси d вектора тока статора используется для управления потокосцеплением ротора, а мнимая компонента оси q используется для управления крутящим моментом двигателя. В то время как контроллеры PI могут использоваться для управления этими токами, управление током типа bang-bang обеспечивает лучшие динамические характеристики.
  6. ПИ-регуляторы обеспечивают (d, q) компоненты напряжения координат. К выходному сигналу контроллера иногда добавляют параметр развязки, чтобы улучшить характеристики управления, чтобы уменьшить перекрестную связь или большие и быстрые изменения скорости, тока и магнитной связи. ПИ-регулятору также иногда требуется фильтрация нижних частот на входе или выходе, чтобы предотвратить чрезмерное усиление пульсаций тока из-за переключения транзисторов и дестабилизацию управления. Однако такая фильтрация также ограничивает производительность системы динамического управления. Высокая частота переключения (обычно более 10 кГц) обычно требуется для минимизации требований к фильтрации для высокопроизводительных приводов, таких как сервоприводы.
  7. Компоненты напряжения преобразуются из системы координат (d, q) в систему координат ( , ).
  8. Компоненты напряжения преобразуются из системы координат ( , ) в систему координат (a, b, c) или подаются в модулятор широтно-импульсной модуляции (PWM) , или и то, и другое, для передачи сигналов в секцию инвертора мощности.

Важные аспекты применения борьбы с переносчиками болезней:

  • Требуется измерение скорости или местоположения или какая-то оценка.
  • Крутящий момент и поток можно изменить достаточно быстро, менее чем за 5-10 миллисекунд, путем изменения опорных значений.
  • При использовании ПИ-регулирования ступенчатая характеристика имеет некоторое превышение .
  • Частота переключения транзисторов обычно постоянная и устанавливается модулятором.
  • Точность крутящего момента зависит от точности параметров двигателя, используемых в управлении. Таким образом, часто возникают большие ошибки, связанные, например, с изменениями температуры ротора.
  • Требуется разумная производительность процессора; обычно алгоритм управления вычисляется каждый цикл ШИМ.

Хотя алгоритм векторного управления сложнее, чем прямое управление крутящим моментом (DTC), алгоритм не нужно рассчитывать так часто, как алгоритм DTC. Также датчики тока не обязательно должны быть лучшими на рынке. Таким образом, стоимость процессора и другого управляющего оборудования ниже, что делает его подходящим для приложений, где не требуется максимальная производительность DTC.

См. Также [ править ]

  • α β γ {\displaystyle \alpha \beta \gamma } преобразовать
  • Адаптивное управление
  • Техника управления
  • Теория управления
  • DQO преобразование
  • Собственные значения и собственные векторы
  • Расширенный фильтр Калмана
  • Фильтр (обработка сигнала)
  • Частотный отклик
  • Преобразование Гильберта
  • Импульсивный ответ
  • Линейная инвариантная во времени система
  • Фильтр Калмана
  • Надежный контроль
  • Корневой локус
  • Теория возмущений
  • График потока сигналов
  • Модель слабого сигнала
  • Управление скользящим режимом
  • Государственный наблюдатель
  • Представление в пространстве состояний
  • Симметричные компоненты
  • Системный анализ
  • Переходный ответ
  • Функция передачи

Ссылки [ править ]

  1. ^ Zambada, Хорхе (8 ноября 2007). «Полевое управление двигателями» . MachineDesign.com. Архивировано из оригинального 16 февраля 2013 года .
  2. ↑ Левин, Чак (10 апреля 2006 г.). «Новые разработки в технологиях коммутации и управления двигателем» . DesignNews.com. Архивировано из оригинального 21 июня 2007 года . Проверено 22 апреля 2012 года .
  3. ^ a b 568000 DSP Manual (2007). «Трехфазный индукционный привод переменного тока с векторным управлением с одинарным шунтирующим измерением тока» (PDF) . Freescale. п. 25, в т.ч. особенно экв. 2–37 . Проверено 16 мая 2012 года .
  4. ^ Godbole, Кедар (Sep 23, 2006). «Управление, ориентированное на поля, снижает размер двигателя, стоимость и энергопотребление в промышленных приложениях» . Инструменты Техаса.
  5. ^ Bose, Bimal К. (июнь 2009). «Прошлое, настоящее и будущее силовой электроники». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine . 3 (2): 11. DOI : 10,1109 / MIE.2009.932709 .
  6. ↑ Мюррей, Энгус (27 сентября 2007 г.). «Преобразование движения: управление двигателями переменного тока с ориентацией на поле» . EDN . Дата обращения 9 мая 2017 .
  7. ^ Яно, Масао; и другие. «История силовой электроники для приводов двигателей в Японии» (PDF) . п. 6, Рис 13 . Проверено 18 апреля 2012 года .
  8. ^ Рафик, Md Абдур (2006). «Быстродействующее управление ориентацией поля привода асинхронного двигателя с адаптивным нейронным интегратором». Журнал электротехнической и электронной инженерии Стамбульского университета . 6 (2): 229.
  9. ^ a b c Друри, Билл (2009). Справочник по методам управления приводами и средствами управления (2-е изд.). Стивенидж, Хертс, Великобритания: Институт инженерии и технологий. п. ххх. ISBN 978-1-84919-101-2.
  10. ^ Bose, Bimal К. (2006). Силовая электроника и моторные приводы: достижения и тенденции . Амстердам: Академ. п. 22. ISBN 978-0-12-088405-6.
  11. ^ «Развитие векторного управления приводом» .
  12. ↑ Bose (2006), стр. 605
  13. ^ Габриэль, R .; Leonhard, W .; Нордби, CJ (март – апрель 1980 г.). "Ориентированное на поле управление стандартными двигателями переменного тока с помощью микропроцессоров". Пер. По отраслевым приложениям . IA-16 (2): 188. DOI : 10,1109 / tia.1980.4503770 . S2CID 14562471 . 
  14. ^ Парк, Роберт (1929). «Теория двух реакций синхронных машин». Пер. AIEE . 48 : 716–730. DOI : 10,1109 / т-aiee.1929.5055275 . S2CID 51643456 . 
  15. ^ Heydt, GT; Венката, СС; Балиджепалли, Н. (23–24 октября 2000 г.). «Важные документы в энергетике, 1900–1999» (PDF) . Североамериканский энергетический симпозиум (NAPS) 2000 : P-1 - P-7 . Проверено 23 мая 2012 года .
  16. ^ a b c d Хольц, Дж. (август 2002 г.). «Бездатчиковое управление приводами асинхронных двигателей» (PDF) . Труды IEEE . 90 (8): 1359–1394. DOI : 10,1109 / jproc.2002.800726 . Проверено 3 июня 2012 года .
  17. ^ а б Ли, RJ; Pillay, P .; Харлей Р.Г. (1984). "Справочные рамки D, Q для моделирования асинхронных двигателей" (PDF) . Исследование электроэнергетических систем . EPR. 8 : 15–26. DOI : 10.1016 / 0378-7796 (84) 90030-0 .
  18. ^ Росс, Дэйв; и другие. (2004). «Использование dsPIC30F для векторного управления ACIM» (PDF) . Микрочип . Проверено 16 мая 2012 года .
  19. ^ Попеску, Мирча (2000). Моделирование асинхронных двигателей для целей векторного управления (PDF) . Эспоо: Технологический университет Хельсинки. С. 13–14. ISBN  951-22-5219-8.
  20. ^ а б Замбада, Хорхе. "Преимущества бессенсорного управления двигателем FOC" . Журнал Appliance . Проверено 3 июня 2012 года .
  21. ^ a b Bose (2006), стр. 429
  22. ^ а б Т.И. (1997). "Полевое управление трехфазными двигателями переменного тока" (PDF) . TI.
  23. ^ Дидье, Жан-Луи. "Трансформация трехфазных систем Фортескью, Кларк, Парк и Ку" . Архивировано из оригинального 7 -го апреля 2014 года . Проверено 4 июня 2012 года .
  24. ^ a b Sinha, Нареш Кумар (1986). Системы управления на базе микропроцессоров . Д. Рейдел Паблишинг. стр. 161 и 175. ISBN 90-277-2287-0.
  25. ↑ Bose (2006), стр. 474
  26. Перейти ↑ Bose (2006), pp. 419, 474
  27. ↑ Bose (2006), стр. 423-425
  28. ↑ Донг, Ган (декабрь 2007 г.). «Бездатчиковое и оптимизированное по эффективности управление индукционной машиной с соответствующими схемами модуляции ШИМ преобразователя» (PDF) . Технологический университет Теннесси. п. 10 . Проверено 16 мая 2012 года .