Control escalar y vectorial de motores asíncronos. Principios del control vectorial de un motor de inducción ¿Qué es el control vectorial?
Para obtener un control de alta calidad del accionamiento eléctrico en los modos estático y dinámico (transitorio), es necesario poder controlar de forma rápida y directa el par motor.
El momento de cualquier motor en cada período de tiempo está determinado por la magnitud (amplitud) y la fase de dos componentes que forman momento: corriente y flujo magnético. En IM, las corrientes y los enlaces de flujo del estator y el rotor giran a la misma velocidad, tienen diferentes parámetros de fase que varían con el tiempo y no están sujetos a medición ni control directos. La variable controlada disponible en AM es la corriente del estator, que tiene componentes que forman el flujo magnético y el par. La orientación de fase de estos dos componentes solo puede llevarse a cabo mediante un dispositivo de control externo, de ahí el término "control vectorial".
En la estructura del accionamiento eléctrico, el motor se considera como un convertidor EMF electromecánico en forma de motor idealizado. Su rotor no tiene masa ni energía mecánica, no tiene pérdidas de energía mecánica y está rígidamente conectado con el rotor físico real, que pertenece a la parte mecánica del EA. Tal motor puede representarse por un multipolo electromecánico que contiene n pares de terminales eléctricos de acuerdo con el número n de devanados y un par de terminales mecánicos (ver Figura 2). En conductores mecánicos como resultado de la conversión electromecánica (EMT) de energía a una velocidad w se desarrolla el momento electromagnético M. El momento M es el valor de salida del campo electromagnético y la entrada para la parte mecánica del accionamiento eléctrico. Velocidad w está determinada por las condiciones de movimiento de la parte mecánica, pero para EMF puede considerarse como una variable independiente. Variables mecánicas METRO y w conecte EMF con la parte mecánica en un solo sistema interconectado. Todos los procesos en el motor se describen mediante un sistema de ecuaciones de equilibrio eléctrico (el número de ecuaciones es igual al número de devanados) y una ecuación para la conversión de energía electromecánica. Para ello, en la teoría de EP se utiliza un modelo bifásico de EP generalizado (ver Figura 1), al que se reducen absolutamente todos los tipos y clases de máquinas eléctricas:
Figura 1 - Modelo EMF generalizado.
α, β - ejes fijos del estator; d, q– ejes de rotación del rotor; φ es el ángulo de rotación del rotor; es la velocidad angular del rotor;
Ecuación de equilibrio eléctrico i- bobinados:
Figura 2 - Esquema de control de vectores
El esquema de control de vectores consta de tres partes funcionales principales:
BRP– bloque de reguladores de variables;
BVP– bloque de cálculo de variables;
BZP– bloque de ajuste de variables;
En la entrada BRP establecer señales de velocidad y flujo, y señales de retroalimentación (desde la salida BVP) son los valores orientados al campo de los componentes de la corriente del estator, el enlace de flujo del rotor y la velocidad. BRP contiene un conjunto de reguladores de flujo, par y corriente, en cuya salida también se forman señales para configurar los componentes de corriente del estator, orientadas a lo largo del campo.
BZP realiza transformaciones de fase y coordenadas de la d – q variables en un sistema de señales de control trifásicas PWM AI. Bloquear BVP calcula los valores actuales de los parámetros de amplitud y fase d – q Variables de IM, realizando transformaciones de fase y coordenadas de señales reales trifásicas de corrientes y tensiones de IM, provenientes de las salidas de los sensores correspondientes.
Transformaciones de coordenadas realizadas por el bloque BVP, consisten en la transición de las coordenadas reales del sistema trifásico del estator IM con ejes d,q(transformación 3 → 2). Bloquear BZP realiza transformaciones de coordenadas inversas (2 → 3), de d— q a a, b, C.
Las transformaciones de fase en estos bloques proporcionan la vinculación de los parámetros de fase de las variables en dos sistemas de coordenadas.
La confiabilidad, el costo y la calidad de las características de EA se ven afectados por la cantidad de parámetros medidos y la precisión de la medición. Para el control vectorial de la presión arterial, es necesario medir al menos dos de las cuatro variables disponibles para la medición:
- Corrientes estatóricas INFIERNO;
- Tensión en las pinzas AD;
- Velocidad angular del rotor IM;
- Posición angular del rotor IM;
El control vectorial le permite obtener el cos φ BP máximo casi en cualquier momento, en cualquier posición del rotor en relación con el estator, a cualquier velocidad angular y carga en la máquina. Esto, a su vez, aumenta significativamente la eficiencia y el momento e. máquina, que, en este caso, es prácticamente independiente de la velocidad angular del motor.
Dmitri Levkin
control escalar(frecuencia) - un método para controlar una corriente alterna sin escobillas, que consiste en mantener una relación constante de voltaje / frecuencia (V / Hz) en todo el rango de velocidad de operación, mientras que solo se controlan la magnitud y la frecuencia del voltaje de suministro.
La relación V/Hz se calcula en función de los valores nominales (y la frecuencia) del motor de CA controlado. Manteniendo constante la relación V/Hz, podemos mantener relativamente constante el flujo magnético en el entrehierro 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.
Cambio de la tensión de alimentación del motor eléctrico con control escalar
A bajas velocidades, es necesario compensar la caída de tensión en 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 es el más utilizado para controlar motores asíncronos.
Aplicado a motores asíncronos
Con el método de control escalar, la velocidad se controla ajustando el voltaje y la frecuencia del estator para que el campo magnético en el espacio se mantenga en el valor deseado. Para mantener un campo magnético constante a través del espacio, la relación V/Hz debe ser constante a diferentes velocidades.
A medida que aumenta la velocidad, la tensión de alimentación del estator también debería aumentar proporcionalmente. Sin embargo, la frecuencia síncrona de un motor de inducción no es igual a la velocidad del eje, sino que depende de la carga. Por lo tanto, un sistema de control escalar de lazo abierto no puede controlar con precisión la velocidad cuando hay una carga. Para resolver este problema, se puede agregar retroalimentación de velocidad al sistema y, por lo tanto, compensación de deslizamiento.
Desventajas del control escalar
- Método control escalar relativamente simple de implementar, pero tiene varios inconvenientes importantes:
- en primer lugar, si no se instala un sensor de velocidad, es imposible controlar la velocidad de rotación del eje, ya que depende de la carga (la presencia de un sensor de velocidad soluciona este problema), y en el caso de que cambie la carga, puede perder completamente el control;
- En segundo lugar, no se puede administrar. Por supuesto, este problema se puede resolver con un sensor de par, pero el costo de su instalación es muy alto y probablemente sea más alto que el propio accionamiento eléctrico. En este caso, el control de 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 las aplicaciones en las que se utiliza un accionamiento eléctrico con un rango de control de velocidad del motor de hasta 1:10.
Cuando se requiere la velocidad máxima, se utiliza la capacidad de controlar una amplia gama de velocidades y la capacidad de controlar el par del motor eléctrico.
Para ajustar la velocidad angular de rotación del rotor, así como el par en el eje de los motores sin escobillas modernos, se utiliza el control vectorial o escalar del accionamiento eléctrico.
El más extendido es el control escalar de un motor asíncrono, cuando, por ejemplo, para controlar la velocidad de rotación de un ventilador o una bomba, basta con mantener constante la velocidad del rotor, para ello se necesita una señal de retroalimentación de un sensor de presión o de un sensor de velocidad es suficiente.
El principio del control escalar es simple: la amplitud de la tensión de alimentación es una función de la frecuencia y la relación entre la tensión y la frecuencia es aproximadamente constante.
La forma específica de esta dependencia está asociada a la carga sobre el eje, pero el principio sigue siendo el mismo: aumentamos la frecuencia, mientras que la tensión aumenta proporcionalmente en función de las características de carga de este motor.
Como resultado, el flujo magnético en el espacio entre el rotor y el estator se mantiene casi constante. Si la relación de voltaje a frecuencia se desvía del valor nominal para un motor dado, entonces el motor estará sobreexcitado o subexcitado, lo que provocará pérdidas en el motor y fallas en el proceso de trabajo.
Así, el control escalar permite lograr un par casi constante en el eje en el rango de frecuencia de operación, independientemente de la frecuencia, sin embargo, a bajas velocidades, el par aún disminuye (para evitar que esto suceda, es necesario aumentar el voltaje relación de frecuencia), por lo que para cada motor hay un rango de control escalar operativo estrictamente definido.
Además, es imposible construir un sistema de control de velocidad escalar sin un sensor de velocidad instalado en el eje, porque la carga afecta en gran medida el retraso de la velocidad real del rotor con respecto a la frecuencia del voltaje de suministro. Pero incluso con un sensor de velocidad con control escalar, no será posible controlar el par con alta precisión (al menos para que sea económicamente factible).
Esta es la desventaja del control escalar, lo que explica la relativa escasez de sus áreas de aplicación, que se limitan principalmente a los motores asíncronos convencionales, donde la dependencia del deslizamiento de la carga no es crítica.
Para deshacerse de estas deficiencias, en 1971, los ingenieros de Siemens propusieron el uso del control de motor vectorial, en el que el control se lleva a cabo con retroalimentación sobre la magnitud del flujo magnético. Los primeros sistemas de control vectorial contenían sensores de caudal en los motores.
Hoy en día, el enfoque de este método es algo diferente: el modelo matemático del motor le permite calcular la velocidad del rotor y el par en el eje en función de las corrientes de fase actuales (sobre la frecuencia y la magnitud de las corrientes en los devanados del estator).
Este enfoque más progresivo permite regular de forma independiente y casi sin inercia tanto el par en el eje como la velocidad de rotación del eje bajo carga, porque las fases de las corrientes también se tienen en cuenta en el proceso de control.
Algunos sistemas de control vectorial más precisos están equipados con circuitos de retroalimentación de velocidad, y los sistemas de control sin sensores de velocidad se denominan sin sensores.
Entonces, dependiendo del campo de aplicación de un accionamiento eléctrico en particular, su sistema de control vectorial tendrá sus propias características, su propio grado de precisión de ajuste.
Cuando los requisitos de precisión del control de velocidad permiten una desviación de hasta el 1,5% y el rango de ajuste no supera 1 en 100, entonces un sistema sin sensores es muy adecuado. Si se requiere precisión de control de velocidad con una desviación de no más del 0,2 % y el rango se reduce de 1 a 10000, se requiere retroalimentación del sensor de velocidad en el eje. La presencia de un sensor de velocidad en los sistemas de control vectorial le permite controlar con precisión el par incluso a bajas frecuencias de hasta 1 Hz.
Por lo tanto, el control de vectores proporciona las siguientes ventajas. Alta precisión del control de la velocidad del rotor (y sin un sensor de velocidad) incluso en condiciones de una carga que cambia dinámicamente en el eje, sin tirones. Rotación suave y uniforme del eje a bajas velocidades. Alta eficiencia debido a bajas pérdidas en condiciones de características óptimas de tensión de alimentación.
El control de vectores no está exento de inconvenientes. La complejidad de las operaciones computacionales. La necesidad de establecer los datos iniciales (parámetros de accionamiento variables).
El control vectorial es fundamentalmente inadecuado para un accionamiento eléctrico de grupo, el control escalar es más adecuado aquí.
Para implementar la capacidad de controlar el par y la velocidad en los accionamientos eléctricos modernos, se utilizan los siguientes métodos de control de frecuencia, como:
- Vector;
- Escalar.
Los más extendidos son los accionamientos eléctricos asíncronos con control escalar. Se usa en accionamientos de compresores, ventiladores, bombas y otros mecanismos en los que es necesario mantener en un cierto nivel la velocidad de rotación del eje del motor (se usa un sensor de velocidad) o algún parámetro tecnológico (por ejemplo, presión en la tubería, usando un sensor apropiado).
El principio de funcionamiento del control escalar de un motor asíncrono: la amplitud y la frecuencia de la tensión de alimentación cambian según la ley U/f^n = constante, donde n>=1. La forma en que se verá esta dependencia en un caso particular depende de los requisitos impuestos por la carga en el accionamiento eléctrico. Como regla general, la frecuencia actúa como una influencia independiente, y el voltaje a cierta frecuencia está determinado por el tipo de característica mecánica, así como por los valores de los pares críticos y de arranque. El control escalar asegura que el motor de inducción tenga una capacidad de sobrecarga constante independientemente de la frecuencia del voltaje y, sin embargo, a frecuencias bastante bajas puede ocurrir una reducción significativa en el par motor. El valor máximo del rango de control escalar, en el que es posible regular el valor de la velocidad de rotación del rotor del motor eléctrico, sin pérdida del par de resistencia, no supera 1:10.
El control escalar de un motor de inducción es bastante simple de implementar, pero aún existen dos inconvenientes significativos. En primer lugar, si no se instala un sensor de velocidad en el eje, es imposible controlar 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 queda otro inconveniente importante: la incapacidad de controlar el valor del par en el eje del motor. Por supuesto, puede instalar un sensor de par, pero el costo de dichos sensores, por regla general, supera el costo del accionamiento eléctrico en sí. Además, incluso si instala un sensor de control de par, el proceso de controlar este mismo momento resultará ser increíblemente inercial. Otro "pero": el control escalar de un motor asíncrono se caracteriza por el hecho de que es imposible controlar simultáneamente la velocidad y el par, por lo tanto, es necesario regular el valor que es más importante en un momento dado debido a las condiciones de el proceso tecnológico.
Para eliminar las deficiencias que tiene el control escalar de motores, allá por el año 71 del siglo pasado, SIEMENS propuso la introducción de un método de control vectorial de motores. Los primeros accionamientos eléctricos con control vectorial utilizaban motores con sensores de flujo incorporados, lo que limitaba significativamente el alcance de dichos accionamientos.
El sistema de control de los accionamientos eléctricos modernos contiene un modelo matemático del motor, que le permite calcular la velocidad de rotación y el par del eje. Además, solo se instalan sensores de corriente de las fases del estator del motor como sensores necesarios. La estructura especialmente diseñada del sistema de control proporciona independencia y regulación casi sin inercia de los parámetros principales: el momento del eje y la velocidad de rotación del eje.
Hasta la fecha, se han formado los siguientes sistemas de control vectorial para un motor asíncrono:
- Sin sensor: no hay sensor de velocidad en el eje del motor,
- Sistemas con realimentación de velocidad.
La aplicación de métodos de control de vectores depende de la aplicación del accionamiento eléctrico. Si el rango de medición del valor de velocidad no supera 1:100 y los requisitos de precisión fluctúan dentro de ± 1,5 %, se utiliza un sistema de control sin sensor. Si la medida de la velocidad se realiza dentro de valores que alcanzan 1:10000 o más, y el nivel de precisión debe ser bastante alto (±0,2% a una velocidad inferior a 1 Hz), o es necesario posicionar el eje o controlar el torque en el eje a bajas velocidades, luego se aplica un sistema con retroalimentación de velocidad.
Ventajas del método vectorial para controlar un motor asíncrono:
- Alto nivel de precisión en el control de la velocidad del eje, a pesar de la posible ausencia de un sensor de velocidad,
- La implementación de la rotación del motor a bajas frecuencias se produce sin tirones, sin problemas,
- 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 un posible cambio de carga: los saltos 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 las ventajas obvias, el método de control vectorial también tiene ciertas desventajas: la gran complejidad de los cálculos, se requiere el conocimiento de los parámetros del motor para la operación. Entre otras cosas, las fluctuaciones en el valor de la velocidad con carga constante son mucho mayores que con el método de control escalar. Por cierto, hay áreas donde los accionamientos eléctricos se utilizan exclusivamente con un método de control escalar. Por ejemplo, un accionamiento eléctrico de grupo, en el que un convertidor alimenta varios motores.
