Vektorové ovládání

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 10. prosince 2014; ověření vyžaduje 31 úprav .

Vektorové řízení je způsob řízení synchronních a asynchronních motorů , který nejen generuje harmonické proudy (napětí) fází ( skalární řízení ), ale také zajišťuje řízení magnetického toku rotoru. První implementace principu vektorového řízení a algoritmy se zvýšenou přesností vyžadují použití snímačů polohy (otáček) rotoru.

Obecně se " vektorové řízení " týká interakce řídicího zařízení s takzvaným "prostorovým vektorem", který se otáčí s frekvencí pole motoru.

Důvody pro

Hlavním důvodem pro vznik vektorového řízení je, že asynchronní motor s rotorem nakrátko (ADKZ) - nejmasivnější a nejlevnější motor ve výrobě, spolehlivý a provozně nejméně náročný (nejsou zde žádné mechanické kolektory, sběrací kroužky v provedení) je obtížné regulovat otáčky, proto se zpočátku používal pro neregulovatelné pohony, případně pro pohony s mechanickým nastavením (pomocí převodovky); speciální vícerychlostní ADKZ umožňovaly pouze skokové změny rychlosti (ze dvou na pět stupňů), ale jejich cena byla mnohem vyšší než u konvenčních, navíc pro takové motory byla vyžadována řídicí stanice, což dále výrazně zvýšilo náklady na řídicí systém , přičemž nebylo možné automaticky udržovat otáčky motoru při změně zatížení. Později byly vyvinuty metody pro řízení rychlosti ADKZ ( skalární řízení ), ale u přechodových procesů se skalárním řízením se mění vazba rotorového toku (když se mění statorové a rotorové proudy), což vede ke snížení rychlosti změny elektromagnetický točivý moment a zhoršení dynamiky.

Na druhou stranu stejnosměrný motor (stejnosměrný motor) se svými vyššími náklady a provozními náklady a nižší spolehlivostí (je zde mechanický kolektor) je jednoduše ovladatelný, přičemž nastavení lze provádět jak změnou napětí kotvy s konstantním jmenovitým budicím tokem (první regulační zóna) a změnou napětí na budícím vinutí (zeslabení budícího toku) konstantním jmenovitým napětím na kotvě (druhá regulační zóna). Regulace se v tomto případě obvykle provádí nejprve v první zóně a v případě potřeby další regulace ve druhé zóně (při konstantním výkonu).

Myšlenkou vektorového řízení bylo vytvořit takový řídicí systém pro ADKZ, ve kterém můžete, stejně jako u stejnosměrného motoru, odděleně řídit točivý moment a magnetický tok, při zachování vazby rotorového toku na konstantní úrovni, což znamená, že změna elektromagnetického momentu bude maximální.

Matematický aparát vektorového řízení

Pro SM a IM lze princip vektorového řízení formulovat následovně: Zpočátku se systém diferenciálních lineárních rovnic třífázového motoru převede na systém rovnic zobecněného dvoufázového stroje, který má dvě fáze ( umístěné prostorově v úhlu 90° vůči sobě) na statoru a dvě fáze na rotoru, rovněž vzájemně umístěné. Poté se všechny vektory popsané tímto systémem promítnou na libovolně rotující ortogonální souřadnicový systém, s počátkem na ose rotoru, přičemž největší jednoduchosti rovnic získáme, když se souřadný systém otáčí rychlostí pole stroje, navíc , při této reprezentaci rovnice degenerují a stávají se podobnými rovnicím DPT, promítání všech vektorů do směru pole stroje se odráží v názvu této metody - "orientace pole". Ve skutečnosti je druhou fází tvorby hodnot orientovaných podél pole nahrazení vinutí dvoufázového generalizovaného stroje (dvě na statoru a dvě na rotoru) jedním párem vzájemně kolmých vinutí otáčejících se synchronně. s polem. Polně orientovaný ADKZ má kromě charakteristiky blízké charakteristice DCT maximální povolené otáčky při řízení točivého momentu v režimu zachování stálosti táhla toku.

Rovnice elektromagnetických procesů, zapsané s ohledem na statorové proudy a vazby rotorového toku v synchronním ortogonálním souřadnicovém systému, orientovaném podél vektoru rotorového toku, mají tvar:

\left\{{\begin{matrix}\sigma L_{s}{\frac {dI_{d}}{dt}}=-R_{s}I_{d}+U_{d}+\sigma L_{s }\omega _{\psi }I_{q}-{\frac {L_{m}}{L_{r}}}{\frac {d\psi _{r}}{dt}}\\\sigma L_ {s}{\frac {dI_{q}}{dt}}=-R_{s}I_{q}+U_{d}-\sigma L_{s}\omega _{\psi }I_{d}- {\frac {L_{m}}{L_{r}}}\omega _{\psi }\psi _{r}\\T_{r}{\frac {d\psi _{r}}{dt} }=-\psi _{r}+L_{m}I_{d}\\\omega _{\psi }=\omega _{r}e+\omega _{c}k=\omega _{r}e+ {\frac {L_{m}}{T_{r}}}{\frac {I_{d}}{\psi _{r}}}\\M={\frac {3}{2}}Z_{ r}{\frac {L_{m}}{L_{r}}}\psi _{r}I_{q}\end{matrix}}\vpravo.

kde:

$\sigma$ je koeficient rozptylu; - respektive indukčnost statoru, rotoru a vzájemné; - aktivní odpor statoru a rotoru; — spojení toku rotoru; je frekvence otáčení vektoru vazby rotorového toku; — elektrická frekvence otáčení rotoru; jsou projekce proudů na osách d a q; je časová konstanta obvodu rotoru. $L_{s}L_{r}L_{m}$ $R_{s}R_{r}$ $\psi_{r}$ $\omega _{\psi }$ $\omega _{r}e$ $I_{d}I_{q}$ $T_{r}$

K tomu existují dva možné způsoby:

orientace rotorového pole
orientace podél pole vazby hlavního toku

Při praktické realizaci prvního způsobu je nutné určit směr a úhlovou polohu vektoru vazby toku rotoru motoru. Ortogonální osy d, q (v domácí literatuře se u asynchronních strojů používají osy x, y) jsou nasměrovány tak, že osa d se shoduje se směrem vektoru rotorového toku. Vektor statorového napětí motoru se nastavuje v osách d, q. Napěťová složka osy d řídí velikost proudu statoru podél osy d.

Změnou proudu statoru podél osy d by mělo být dosaženo požadované hodnoty amplitudy vektoru rotorového toku. Proud statoru podél osy q, řízený napětím podél této osy, bude určovat moment vyvíjený motorem. V tomto režimu provozu jsou charakteristiky SM a IM podobné jako u stejnosměrného motoru, takže pole stroje se tvoří podél osy d (budící vinutí pro stejnosměrný motor, tj. induktor ), a proud podél osy q nastavuje moment (vinutí kotvy stejnosměrného motoru). Řízení motoru podle této metody teoreticky poskytuje velkou přetížitelnost ADKZ, ale není možné přímo určit vektor vazby rotorového toku.

Tato metoda vektorového řízení byla původně implementována v systému Siemens Transvektor .

Zařízení s ovládáním vektoru hlavního toku motoru v ruštině se začala nazývat vektorové systémy. Při použití řídicího zařízení podle vektoru vazby hlavního toku a stabilizace modulu vazby hlavního toku motoru ve všech režimech provozu je vyloučeno nadměrné sycení magnetického systému a řídicí struktura IM je zjednodušený. Pro složky vektoru vazby hlavního toku (podél os α, β statoru) je možné přímé měření např. pomocí Hallových snímačů instalovaných ve vzduchové mezeře motoru.

Napájení AM a SM v režimu vektorového řízení je realizováno z měniče , který může kdykoliv zajistit požadovanou amplitudu a úhlovou polohu vektoru napětí (nebo proudu) statoru. Měření amplitudy a polohy vektoru vazby rotorového toku se provádí pomocí pozorovatele (matematický přístroj, který umožňuje obnovit neměřené parametry systému).

Možnosti pro režimy vektorového řízení

Vektorové řízení implikuje přítomnost v řídicím článku matematického modelu (dále jen MM ) nastavitelného elektromotoru . V závislosti na provozních podmínkách elektropohonu je možné řídit elektromotor jak v režimech s normální přesností, tak v režimech se zvýšenou přesností zpracování úlohy na otáčky nebo točivý moment.

Přesnost matematického modelu elektromotoru

V souvislosti s výše uvedeným se zdá možné klasifikovat režimy řízení podle přesnosti elektromotoru MM použitého v řídicím spoji:

použití MM bez dalších zpřesňujících měření parametrů elektromotoru řídicím zařízením (použijí se pouze typická data motoru zadaná uživatelem)
použití MM s dodatečným zpřesňujícím měřením parametrů elektromotoru řídicím zařízením (tj. činných a jalových odporů statoru / rotoru , napětí a proudu motoru )

Použití snímače otáček motoru

V závislosti na přítomnosti nebo nepřítomnosti snímače zpětné vazby rychlosti (snímač rychlosti) lze vektorové řízení rozdělit na:

řízení motoru bez snímače otáček - v tomto případě řídicí zařízení používá data MM motoru a hodnoty získané z měření proudu statoru a / nebo rotoru
řízení motoru se snímačem otáček - toto zařízení využívá nejen hodnoty získané měřením proudu statoru a/nebo rotoru elektromotoru (jako v předchozím případě), ale také údaje o otáčkách (poloze ) rotoru ze snímače, což u některých řídicích úloh umožňuje zvýšit přesnost odpracování elektrickým pohonem úlohy rychlosti (polohy).

Terminologické nuance

Protože princip vektorového řízení byl vynalezen v Německu, termín „ vektorové řízení “ se často vyskytuje v ruskojazyčné literatuře, což je pauzovací papír z německého „Vektorregelung“. Takovou definici nelze považovat za chybnou, nicméně podle zavedených norem ruského technického jazyka by bylo správnější používat termín „ vektorové řízení “. Kromě toho se tato metoda často nazývá také „princip orientace v terénu“, což je také doslovný překlad z německého „Das Prinzip der Feldorientierung“.

Odkazy

Frekvenční měniče pro vektorové řízení. Základní informace. klasifikace. Výběr

Literatura

Dartau VA Výzkum způsobu vektorového řízení frekvenčního asynchronního pohonu pro důlní stroje a zařízení. - Abstrakt. dis. pro soutěž uch. stupně kand. tech. Sciences, L.: RTP LGI, 1974.
Rudakov VV Asynchronní elektrické pohony s vektorovým řízením/V. V. Rudakov, I. M. Stolyarov, V. A. Dartau. Leningrad: Energoatomizdat, 1987, 136 s.
Vinogradov A. B. Vektorové řízení střídavých elektrických pohonů Ivanovo, 2008
Chilikin M. G., Klyuchev V. I. Sandler A. S. Teorie automatizovaného elektrického pohonu. M., "Energie", 1979
Alekseev VV Bloky vektorových řídicích systémů pro frekvenčně řízené pohony na bázi mikromodulů. L.: LDNTP, 1979, 28 s.
Elektrická auta. Modelování pohonů elektrických strojů důlních zařízení. Učebnice / V. V. Alekseev, A. E. Kozyaruk, E. A. Zagrivny. SPGGI. Petrohrad, 2006. 58 s.