Metode penghematan energi yang paling terkenal adalah dengan mengurangi kecepatan motor listrik. AC. Karena daya sebanding dengan pangkat tiga kecepatan poros, sedikit pengurangan kecepatan dapat menghasilkan penghematan energi yang signifikan. Semua orang memahami betapa relevannya hal ini untuk produksi. Tapi bagaimana cara mencapainya? Kami akan menjawab pertanyaan ini dan pertanyaan lainnya, tetapi pertama-tama, mari kita bicara tentang jenis kendali motor asinkron.

Penggerak listrik AC adalah sistem elektromekanis yang berfungsi sebagai dasar bagi sebagian besar proses teknologi. Peran penting di dalamnya adalah milik konverter frekuensi (FC), yang memainkan “permainan biola utama duet” – motor asinkron (IM).

Sedikit fisika dasar

Dari sekolah, kita memiliki gagasan yang jelas bahwa tegangan adalah beda potensial antara dua titik, dan frekuensi adalah nilai yang sama dengan jumlah periode yang dilalui arus dalam satu detik.

Di dalam proses teknologi Seringkali Anda harus mengubah parameter operasi jaringan. Untuk tujuan ini, ada konverter frekuensi: skalar dan vektor. Mengapa mereka disebut demikian? Mari kita mulai dengan fakta bahwa ciri-ciri khusus dari setiap jenis menjadi jelas dari namanya. Mari kita mengingat dasar-dasar fisika dasar dan membiarkan diri kita menyebut IF lebih pendek demi kesederhanaan. “Vectornik” memiliki arah tertentu dan mematuhi aturan vektor. “Scalarnik” tidak memiliki semua ini, jadi algoritma untuk mengendalikannya secara alami sangat sederhana. Tampaknya nama-nama itu sudah diputuskan. Sekarang tentang bagaimana besaran fisis berbeda-beda rumus matematika terhubung satu sama lain.

Ingat bahwa begitu kecepatan berkurang, torsi bertambah dan sebaliknya? Artinya, semakin besar putaran rotor maka semakin besar pula fluks yang melalui stator, sehingga tegangan induksi pun semakin besar.

Prinsip yang sama terletak pada prinsip operasi dalam sistem yang sedang kita pertimbangkan, hanya dalam "skalar" medan magnet stator dikendalikan, dan dalam "vektor" interaksi medan magnet stator dan rotor berperan a peran. kasus terakhir teknologi memungkinkan untuk meningkatkan parameter teknis sistem propulsi.

Perbedaan teknis antar konverter

Ada banyak perbedaan, mari kita soroti yang paling mendasar, dan tanpa kata-kata ilmiah. Untuk penggerak frekuensi skalar (tanpa sensor), hubungan U/F bersifat linier dan rentang kendali kecepatan cukup kecil. Omong-omong, inilah mengapa pada frekuensi rendah tidak ada tegangan yang cukup untuk mempertahankan torsi, dan terkadang karakteristik frekuensi tegangan (VFC) perlu disesuaikan dengan kondisi pengoperasian, hal yang sama terjadi ketika frekuensi maksimum di atas 50Hz.

Saat memutar poros dalam kecepatan lebar dan rentang frekuensi rendah, serta memenuhi persyaratan untuk kontrol torsi otomatis, metode ini digunakan pengendalian vektor Dengan masukan. Hal ini menunjukkan perbedaan lain: skalar biasanya tidak memiliki umpan balik seperti itu.

Situasi darurat mana yang harus dipilih? Penerapan perangkat tertentu terutama dipandu oleh ruang lingkup penggunaan penggerak listrik. Namun, dalam kasus khusus, pilihan jenis konverter frekuensi menjadi tidak dapat dipilih. Pertama: terdapat perbedaan harga yang jelas dan nyata (yang skalar jauh lebih murah, tidak memerlukan inti komputasi yang mahal). Oleh karena itu, produksi yang lebih murah terkadang melebihi proses pengambilan keputusan. Kedua: ada area penerapan yang hanya memungkinkan penggunaannya, misalnya, di jalur konveyor, di mana beberapa motor listrik dikontrol secara sinkron dari satu (VFD).

Metode skalar

Penggerak listrik asinkron dengan kontrol kecepatan skalar (yaitu dengan VFC) tetap menjadi yang paling umum saat ini. Dasar dari metode ini adalah kecepatan motor merupakan fungsi dari frekuensi keluaran.

Kontrol motor skalar – pilihan optimal untuk kasus-kasus ketika tidak ada beban variabel, dan juga tidak diperlukan dinamika yang baik. Skalar tidak memerlukan sensor apa pun untuk beroperasi. Saat menggunakan metode ini, tidak diperlukan prosesor digital yang mahal, seperti halnya pengendalian vektor.

Metode ini sering digunakan untuk kontrol otomatis kipas, kompresor, dan unit lainnya. Di sini kecepatan putaran poros mesin harus dipertahankan menggunakan sensor, atau indikator tertentu lainnya (misalnya, suhu cairan, dikontrol). oleh alat pelacak yang sesuai).

Dengan kontrol skalar, perubahan amplitudo frekuensi pada tegangan suplai ditentukan oleh rumus U/fn = const. Hal ini memungkinkan fluks magnet konstan di motor. Caranya cukup sederhana, mudah diterapkan, namun bukannya tanpa beberapa kekurangan yang berarti:

• Tidak mungkin untuk mengontrol torsi dan kecepatan secara bersamaan, sehingga nilai yang paling signifikan dari sudut pandang teknologi dipilih;
• rentang kendali kecepatan sempit dan torsi rendah pada kecepatan rendah;
• kinerja buruk dengan beban yang berubah secara dinamis.

Apa metode vektor?

Metode vektor

Itu muncul dalam proses perbaikan, dan digunakan ketika diperlukan untuk implementasi kinerja maksimal, pengaturan dalam rentang kecepatan yang luas dan pengendalian torsi pada poros.

DI DALAM model terbaru penggerak listrik, model matematika mesin diperkenalkan ke dalam sistem kendali (CS) jenis ini, yang mampu menghitung torsi mesin dan kecepatan putaran poros. Dalam hal ini, hanya diperlukan pemasangan sensor arus fasa stator.

Saat ini mereka memiliki cukup banyak keunggulan:

• akurasi tinggi;
• tanpa menyentak, putaran tekanan darah lancar;
• berbagai peraturan;
• respons cepat terhadap perubahan pemuatan;
• memastikan mode pengoperasian mesin, yang mengurangi kerugian akibat pemanasan dan magnetisasi, dan ini mengarah pada peningkatan efisiensi yang berharga!

Keuntungannya tentu saja terlihat jelas, namun metode pengendalian vektor juga memiliki kekurangan, seperti kompleksitas komputasi dan kebutuhan untuk mengetahui indikator teknis motor. Selain itu, amplitudo fluktuasi kecepatan yang lebih besar diamati dibandingkan pada “skalar” di bawah beban konstan. Tugas utama selama produksi konverter frekuensi(“vectoring”) – menghasilkan torsi tinggi pada kecepatan putaran rendah.

Diagram sistem kendali vektor dengan unit modulasi lebar pulsa (PWM) terlihat seperti ini:

Pada diagram yang ditunjukkan, objek yang dikendalikan adalah motor asinkron yang dihubungkan dengan sensor (DS) pada poros. Blok yang digambarkan sebenarnya merupakan penghubung dalam rantai sistem kendali yang diimplementasikan pada pengontrol. Blok BZP menetapkan nilai variabel. Blok logika (BRP) dan (BVP) mengatur dan menghitung variabel persamaan. Pengontrol itu sendiri dan bagian mekanis lainnya dari sistem terletak di kabinet listrik.

Opsi dengan mikrokontroler frekuensi

Konverter frekuensi arus/tegangan dirancang untuk kelancaran pengaturan besaran dasar, serta indikator pengoperasian peralatan lainnya. Ia berfungsi sebagai "skalar" dan "vektor" pada saat yang sama, menggunakan model matematika yang diprogram dalam mikrokontroler internal. Yang terakhir dipasang di perisai khusus dan merupakan salah satu unit jaringan informasi sistem otomasi.

Blok pengontrol/konverter frekuensi kata terakhir teknik, di sirkuit dengan mereka mereka menggunakan tersedak dan mengurangi intensitas kebisingan input. Perlu dicatat bahwa di luar negeri masalah ini perhatian khusus diberikan. Dalam praktik domestik, penggunaan filter EMC masih merupakan mata rantai yang lemah, karena tidak ada kerangka peraturan yang masuk akal. Kami lebih sering menggunakan filter itu sendiri di tempat yang tidak diperlukan, dan di tempat yang benar-benar dibutuhkan, karena alasan tertentu filter tersebut dilupakan.

Kesimpulan

Faktanya adalah motor listrik modus biasa bekerja dari jaringan cenderung memiliki parameter standar, hal ini tidak selalu dapat diterima. Fakta ini dihilangkan dengan memperkenalkan berbagai mekanisme roda gigi untuk mengurangi frekuensi ke frekuensi yang diperlukan. Saat ini, dua sistem kendali telah dibentuk: sistem tanpa sensor dan sistem sensor dengan umpan balik. Perbedaan utama mereka adalah keakuratan kontrol. Tentu saja yang paling akurat adalah yang kedua.

Kerangka kerja yang ada diperluas melalui penggunaan berbagai sistem kontrol IM modern, yang memberikan peningkatan kualitas regulasi dan kapasitas beban berlebih yang tinggi. Faktor-faktor ini sangat penting untuk produksi yang hemat biaya, umur peralatan yang panjang, dan konsumsi energi yang ekonomis.

Perbedaan teknis antara frekuensi vektor dan skalar

konverter

Pertanyaan: Konverter frekuensi vektor dan skalar tersedia di pasaran, dan

yang vektor jauh lebih mahal. Apa perbedaan teknis di antara keduanya?

Pertanyaannya tidak sesederhana itu sehingga bisa dijawab hanya dengan satu suku kata. Istilahnya sendiri

"vektor" dan "skalar" tidak tepat bila diterapkan pada karakteristik

konverter frekuensi. Sejak yang sedang kita bicarakan intinya tentang parameter variabel

saat ini, maka penggunaan istilah “skalar” secara umum tidak dapat diterima. Dari kursus dasar

fisikawan sangat menyadari bahwa besaran skalar adalah suatu besaran, setiap nilaiyang (tidak seperti vektor) dapat dinyatakan dengan satu bilangan (nyata),

Hasilnya, himpunan nilai skalar dapat digambarkan dalam skala linier (skala- karena itulah namanya). Panjang, luas, waktu, suhu, dan lain-lain merupakan besaran skalar.Besaran vektor atau vektor adalah besaran yang juga mempunyai bilangan

makna dan arah. Berkaitan dengan hal tersebut, pembagian konverter frekuensi menjadi skalar

dan vektor pada prinsipnya tidak benar, dan mencerminkan keinginan pengelola perdagangan

seharusnya membenarkan harga yang lebih tinggi untuk salah satu jenis konvertermemiliki keunggulan dibandingkan yang lain.

Adapun dari sisi teknisnya adalah sebagai berikut.

Cara utama mengatur torsi pada poros motor listrik adalah

perubahan frekuensi dan besarnya arus belitan stator, yang menyebabkan perubahan kekuatannya

medan magnet berputar. Kebanyakan konverter frekuensi dirancang dengan cara ini

dengan cara yang memungkinkan pengguna untuk menyesuaikan karakteristik keluaran

parameter listrik untuk jenis peralatan tertentu. Misalnya, tergantung pada

besarnya momen inersia peralatan yang digerakkan dapat diketahui

karakteristik arus keluaran konverter: linier, parabola ataupandangan hiperbolik.

Jadi, jika perlu untuk memindahkan beban berat dengan cara digerakkan

konveyor, karakteristik arus keluaran harus diberi bentuk hiperbolik. Dianjurkan untuk menggerakkan pompa air dan kipas angin dalam arah parabola

kurva, yang menghemat energi. Hampir semua orang bekerja berdasarkan algoritma ini.

konverter frekuensi, disebut dengan istilah yang salah “skalar”, nama yang lebih akurat adalah: “konverter frekuensi dengan frekuensi dan arus keluaran yang dapat diatur sebelumnya.”

Cara lain yang efektif untuk meningkatkan torsi pada poros motor listrik adalah

penggunaan harmonik ke-3 dari arus keluaran, yang vektornya, serta kelipatannya, lebih besar

harmonik tinggi, berputar searah dengan vektor arus harmonik fundamental (50

Hz), yaitu mempunyai barisan lurus. Yang lainnya berputar ke arah yang berlawanan

dan memiliki urutan terbalik. Total arus netral, dihitung dengan rumus:

pengendalian parameter arus keluaran, yaitu:

1)Konverter dengan parameter arus keluaran yang telah dikonfigurasi sebelumnya.

Digunakan di sebagian besar penggerak industri umum, keduanya dengan umpan balik

kontrol parameter teknologi dan tanpanya, termasuk penggerak pompa,

kipas, konveyor, konveyor, ekstruder, termasuk tunggal dansistem multi-mesin.

2)Konverter dengan penyesuaian dinamis parameter arus keluaran. Digunakan dalam penggerak motor tunggal dengan teknologi presisi tinggi

peralatan. Mereka bisa dengan atau tanpa umpan balik untuk mengontrol posisi rotor mesin. Dalam hal akurasi dan kedalaman kontrol kecepatan putaran, mereka agak lebih unggul dari konverter tipe pertama, tetapi secara signifikan lebih rendah daripada servo.

Mengenai masalah secara keseluruhan, perlu diingat bahwa untuk menyelesaikannya tugas-tugas tertentu Varea penggerak yang dikendalikan, motor listrik yang sesuai dengan motornya sendiri

sistem kontrol - motor stepper dengan pengontrol, motor servo dengan pengontrol,

mesin DC dengan pengontrol dan akhirnya asinkron dan sinkron

motor listrik dengan konverter frekuensi. Upaya untuk membuat drive universal

jelas akan mengalami kegagalan, karena perbedaan desain antar drive

terlalu besar, dan tugas yang diselesaikan oleh drive tidak ada bandingannya. Tidak dapat membuatdari motor asinkron menjadi motor servo, dan dari motor sinkron menjadi motor stepper, meskipun terpasang di dalamnyaia memiliki lima puluh kutub.

Apa yang harus dilakukan? Segala sesuatu yang cerdik itu sederhana - cukup mendesain drive dengan benar

dengan mempertimbangkan torsi yang dibutuhkan pada poros dalam rentang frekuensi yang paling tidak menguntungkan

rotasi, dan percayakan kontrol parameter teknologi ke pengontrol PID, yang tersedia di sebagian besar konverter skalar. penulis artikel

paling modern yang disebut konverter "skalar".

Saat ini pengaturan kecepatan motor AC dengan menggunakan konverter frekuensi banyak digunakan hampir di semua industri.

Dalam prakteknya, sistem kendali kecepatan motor AC tiga fasa digunakan berdasarkan dua prinsip yang berbeda kontrol:
2. Pengendalian vektor.

Metode kontrol yang digunakan dalam konverter frekuensi untuk mengontrol motor AC

Saat ini pengaturan kecepatan motor AC menggunakan konverter frekuensi banyak digunakan hampir di semua industri. Hal ini terutama disebabkan oleh pencapaian besar di bidang elektronika daya dan teknologi mikroprosesor, yang menjadi dasar pengembangan konverter frekuensi. Di sisi lain, penyatuan produksi konverter frekuensi oleh produsen telah memungkinkan pengaruh yang signifikan terhadap biayanya dan memaksa mereka membayar sendiri dalam jangka waktu yang cukup singkat. Penghematan sumber daya energi saat menggunakan konverter untuk mengendalikan motor asinkron dalam beberapa kasus dapat mencapai 40% atau lebih.
Dalam praktiknya, sistem kendali kecepatan untuk motor AC tiga fasa digunakan berdasarkan dua prinsip kendali yang berbeda:
1. Kontrol U/f (kontrol frekuensi volt atau skalar);
2. Pengendalian vektor.

U/f- kontrol kecepatan penggerak listrik asinkron

Kontrol skalar atau kontrol V/f motor asinkron adalah perubahan kecepatan motor dengan mempengaruhi frekuensi tegangan pada stator sekaligus mengubah besaran tegangan tersebut. Dengan pengaturan V/f, frekuensi dan tegangan bertindak sebagai dua tindakan kontrol, yang biasanya diatur bersama. Dalam hal ini, frekuensi diambil sebagai pengaruh independen, dan nilai tegangan pada frekuensi tertentu ditentukan berdasarkan bagaimana jenis karakteristik mekanis penggerak harus berubah ketika frekuensi berubah, yaitu bagaimana momen kritis harus berubah tergantung pada frekuensi. Untuk menerapkan hukum kontrol seperti itu, perlu dipastikan kekonstanan rasio U/f=const, dimana U adalah tegangan pada stator, dan f adalah frekuensi tegangan stator.
Pada kapasitas kelebihan beban yang konstan, faktor daya pengenal dan efisiensi mesin pada seluruh rentang kendali kecepatan putaran praktis tidak berubah.
Hukum regulasi U/f mencakup hukum yang berkaitan dengan besaran dan frekuensi tegangan yang menyuplai motor (U/f=const, U/f2=const dan lain-lain). Keunggulannya adalah kemampuannya mengendalikan sekelompok motor listrik secara bersamaan. Kontrol skalar digunakan untuk sebagian besar aplikasi praktis penggerak frekuensi dengan rentang kontrol kecepatan motor tanpa menggunakan sensor umpan balik hingga 1:40. Algoritma kontrol skalar tidak memungkinkan pemantauan dan kontrol torsi motor listrik, serta mode penentuan posisi. Area aplikasi paling efektif metode ini kontrol: kipas, pompa, konveyor, dll.

Pengendalian vektor

Pengendalian vektor merupakan suatu metode pengendalian motor sinkron dan asinkron, yang tidak hanya menghasilkan arus harmonik dan tegangan fasa (kontrol skalar), tetapi juga mengendalikan fluks magnet motor. Pengendalian vektor didasarkan pada gagasan tentang tegangan, arus, dan hubungan fluks sebagai vektor spasial.
Prinsip-prinsip dasar dikembangkan pada tahun 70-an abad ke-20. Sebagai hasil dari penelitian teoritis mendasar dan keberhasilan di bidang elektronik semikonduktor daya dan sistem mikroprosesor, saat ini telah dikembangkan penggerak listrik dengan pengendalian vektor, yang diproduksi secara massal oleh produsen peralatan penggerak di seluruh dunia.
Dengan pengendalian vektor pada penggerak listrik asinkron dalam proses transien, dimungkinkan untuk mempertahankan hubungan fluks rotor yang konstan, berbeda dengan kontrol skalar, di mana hubungan fluks rotor dalam proses transien berubah ketika arus stator dan rotor berubah, yang mengarah ke a penurunan laju perubahan torsi elektromagnetik. Dalam penggerak kendali vektor, dimana hubungan fluks rotor dapat dijaga konstan, torsi elektromagnetik berubah secepat perubahan komponen arus stator (analog dengan perubahan torsi ketika arus jangkar berubah pada mesin DC).
Dengan kontrol vektor, tautan kontrol menyiratkan adanya model matematika dari penggerak listrik yang dapat disesuaikan. Mode pengendalian vektor dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
1. Menurut keakuratan model matematika motor listrik yang digunakan pada link kendali:
. Penggunaan model matematika tanpa pengukuran klarifikasi tambahan oleh perangkat kontrol parameter motor listrik (hanya data motor tipikal yang dimasukkan oleh pengguna yang digunakan);
Penggunaan model matematika dengan pengukuran klarifikasi tambahan oleh perangkat kontrol parameter motor listrik, yaitu. resistansi stator/rotor aktif dan reaktif, tegangan dan arus motor.
2. Berdasarkan ada tidaknya umpan balik kecepatan (sensor kecepatan), pengendalian vektor dibedakan menjadi:
Kontrol motor tanpa umpan balik kecepatan - dalam hal ini, perangkat kontrol menggunakan data dari model matematika motor dan nilai yang diperoleh dengan mengukur arus stator dan/atau rotor;
Kontrol motor dengan umpan balik kecepatan - dalam hal ini, perangkat tidak hanya menggunakan nilai yang diperoleh dengan mengukur arus stator dan/atau rotor motor listrik (seperti dalam kasus sebelumnya), tetapi juga data kecepatan rotor (posisi) dari sensor, yang dalam beberapa tugas kontrol memungkinkan Anda meningkatkan keakuratan pengaturan kecepatan (posisi) penggerak listrik.

Hukum dasar pengendalian vektor antara lain sebagai berikut:
A. Hukum memastikan keteguhan hubungan fluks magnet stator ψ1 (sesuai dengan keteguhan Evnesh /f).
B. Hukum yang memastikan keteguhan hubungan fluks magnet pada celah udara ψ0 (keteguhan E/f);
V. Hukum yang memastikan keteguhan hubungan fluks magnet rotor ψ2 (keteguhan Evnut/f).
Hukum mempertahankan hubungan fluks stator yang konstan diterapkan dengan mempertahankan rasio ggl stator yang konstan terhadap frekuensi sudut medan. Kerugian utama dari undang-undang ini adalah berkurangnya kapasitas beban berlebih pada mesin saat beroperasi pada frekuensi tinggi. Hal ini disebabkan adanya peningkatan reaktansi induktif stator dan, akibatnya, penurunan hubungan fluks masuk celah udara antara stator dan rotor seiring bertambahnya beban.
Mempertahankan aliran utama yang konstan meningkatkan kapasitas kelebihan beban mesin, namun mempersulit implementasi perangkat keras dari sistem kontrol dan memerlukan perubahan dalam desain mesin atau keberadaan sensor khusus.
Ketika hubungan fluks rotor dipertahankan konstan, torsi motor tidak mencapai maksimum, namun, dengan meningkatnya beban, fluks magnet utama meningkat, menyebabkan kejenuhan sirkuit magnetik dan, akibatnya, ketidakmungkinan mempertahankan fluks rotor yang konstan. keterkaitan.

Penilaian komparatif terhadap hukum pengaturan kecepatan oleh penggerak listrik asinkron dengan mengubah frekuensi tegangan pada stator

Gambar 1 menunjukkan hasil kajian teoritis indikator energi motor asinkron dengan daya = 18,5 kW menurut berbagai hukum kontrol frekuensi, yang dilakukan dalam karya V.S. Petrushin dan Ph.D. A A. Tankov “Indikator energi motor asinkron dalam penggerak listrik frekuensi berdasarkan berbagai hukum kendali.” Hasil percobaan yang dilakukan saat pengujian mesin ini juga diberikan di sana (hukum kendali frekuensi U/f = const). Mesin dioperasikan pada beban dengan torsi konstan 30,5 Nm pada rentang kecepatan 500 – 2930 rpm.
Membandingkan ketergantungan yang diperoleh, kita dapat menyimpulkan bahwa di zona kecepatan rendah, ketika menggunakan hukum kontrol kelompok kedua, efisiensinya lebih tinggi 7-21%, dan faktor dayanya 3-7% lebih rendah. Ketika kecepatan meningkat, perbedaannya berkurang.

Gambar.1. Perubahan efisiensi (a) dan cosφ (b) dalam rentang kendali: 1 - ketergantungan eksperimental; ketergantungan yang dihitung di hukum yang berbeda kontrol: 2 - U/f = konstanta, 3 - Evnesh /f = konstanta, 4 - E/f= konstanta, 5 - Evnut /f= konstanta.
Jadi, hukum pengendalian vektor tidak hanya menyediakan kontrol yang lebih baik penggerak listrik dalam mode statis dan dinamis, tetapi juga meningkatkan efisiensi mesin dan, karenanya, seluruh penggerak. Namun, semua undang-undang yang mempertahankan hubungan fluks yang konstan memiliki kelemahan tertentu.
Kerugian umum dari undang-undang yang mempertahankan hubungan fluks konstan adalah: keandalan yang rendah karena adanya sensor yang terpasang di dalam mesin, dan kerugian pada baja ketika mesin beroperasi dengan torsi beban kurang dari torsi pengenal. Kerugian-kerugian ini disebabkan oleh kebutuhan untuk mempertahankan hubungan fluks nominal yang konstan pada berbagai mode bekerja.
Efisiensi motor dapat ditingkatkan secara signifikan dengan mengatur fluks magnet stator (rotor) tergantung pada besarnya torsi beban (slip). Kerugian dari kontrol tersebut adalah karakteristik dinamis penggerak yang rendah, karena besarnya nilai konstanta waktu rotor, yang menyebabkan fluks magnet mesin dipulihkan dengan beberapa penundaan dan kerumitan. teknis pelaksanaan sistem kontrol.
Dalam praktiknya, kelompok hukum dengan fluks magnet konstan telah tersebar luas untuk penggerak listrik dinamis yang beroperasi dengan momen hambatan konstan pada poros dan dengan penerapan beban kejut yang sering. Sedangkan kelompok hukum yang mengatur fluks magnet sebagai fungsi beban pada poros digunakan untuk penggerak listrik dinamis rendah dan untuk penggerak dengan beban “kipas”.

Pengendalian vektor

Pengendalian vektor adalah metode pengendalian motor sinkron dan asinkron, tidak hanya menghasilkan arus harmonik (tegangan) fasa (kontrol skalar), tetapi juga memberikan kontrol terhadap fluks magnet rotor. Implementasi pertama dari prinsip kontrol vektor dan algoritma presisi tinggi memerlukan penggunaan sensor posisi (kecepatan) rotor.

Secara umum, di bawah " pengendalian vektor" mengacu pada interaksi perangkat kontrol dengan apa yang disebut "vektor spasial", yang berputar dengan frekuensi medan motor.

Peralatan matematika pengendalian vektor

Yayasan Wikimedia.

2010.

Lihat apa itu "Kontrol vektor" di kamus lain: Menelusuri kertas bersamanya. Vektorregelung. Metode kontrol kecepatan putaran dan/atau torsi motor listrik

menggunakan pengaruh konverter penggerak listrik pada komponen vektor arus stator motor listrik. Dalam sastra berbahasa Rusia di ... Wikipedia Pemecahan masalah kendali optimal teori matematika, dimana aksi kendali u=u(t) dibentuk dalam bentuk fungsi waktu (dengan demikian diasumsikan bahwa selama proses tidak ada informasi selain yang diberikan pada saat itu juga. awal memasuki sistem......

- (penggerak yang dikontrol frekuensi, PNC, Penggerak Frekuensi Variabel, VFD) untuk mengontrol kecepatan rotor motor listrik asinkron (atau sinkron). Ini terdiri dari motor listrik itu sendiri dan konverter frekuensi... Wikipedia

Istilah ini memiliki arti lain, lihat CNC (arti). Halaman ini diusulkan untuk digabungkan dengan CNC. Penjelasan alasan dan pembahasan di halaman Wikipedia: Menuju unifikasi/25 f... Wikipedia

Stator dan rotor mesin asinkron 0,75 kW, 1420 rpm, 50 Hz, 230-400 V, 3,4 2,0 ​​A A mesin sinkron Ini mobil listrik AC... Wikipedia

- (DPR) bagian dari motor listrik. DI DALAM motor listrik komutator Sensor posisi rotor merupakan unit komutator sikat yang juga merupakan saklar arus. Pada motor listrik tanpa sikat, sensor posisi rotor dapat terdiri dari berbagai jenis... Wikipedia

DS3 DS3 010 Data dasar Negara konstruksi ... Wikipedia

Mesin asinkron adalah mesin listrik arus bolak-balik yang kecepatan rotornya tidak sama dengan (kurang dari) kecepatan putaran medan magnet yang ditimbulkan oleh arus belitan stator. Mesin asinkron listrik yang paling umum... ... Wikipedia

Istilah ini memiliki arti lain, lihat Konverter frekuensi. Artikel ini harus di-Wikifikasi. Silakan format sesuai aturan format artikel... Wikipedia

DS3 ... Wikipedia

Buku

• Pengendalian vektor hemat energi motor listrik asinkron: tinjauan keadaan dan hasil baru: Monograf, Borisevich A.V.. Monograf ini dikhususkan untuk metode meningkatkan efisiensi energi pengendalian vektor motor listrik asinkron. Model motor listrik asinkron dipertimbangkan dan prinsip vektor...

- Apa itu pengendalian vektor?
- Jaga arus pada 90 derajat.

Istilah “kontrol vektor” motor listrik sudah tidak asing lagi bagi siapa saja yang setidaknya tertarik dengan pertanyaan tentang bagaimana mengendalikan motor AC menggunakan mikrokontroler. Namun, biasanya dalam buku apa pun tentang penggerak listrik, bab tentang pengendalian vektor terletak di dekat bagian akhir, terdiri dari sekumpulan rumus rumit dengan referensi ke semua bab lain dalam buku tersebut. Mengapa Anda tidak mau memahami masalah ini sama sekali? Dan bahkan yang paling banyak penjelasan sederhana masih dalam perjalanan persamaan diferensial keseimbangan, diagram vektor dan banyak matematika lainnya. Oleh karena itu, muncul upaya seperti ini untuk menghidupkan mesin tanpa menggunakan perangkat keras. Namun nyatanya, pengendalian vektor sangat sederhana jika Anda memahami prinsip pengoperasiannya “dengan jari Anda”. Dan akan lebih menyenangkan untuk menangani rumus jika perlu.

Prinsip pengoperasian mesin sinkron

Mari kita pertimbangkan prinsip pengoperasian mesin sederhana AC - mesin sinkron dengan magnet permanen. Contoh yang mudah adalah kompas: jarum magnetnya adalah rotor mesin sinkron, dan medan magnet bumi adalah medan magnet stator. Tanpa beban luar (dan tidak ada pada kompas, kecuali gesekan dan fluida yang meredam osilasi jarum), rotor selalu berorientasi sepanjang medan stator. Jika kita memegang kompas dan memutar bumi di bawahnya, jarumnya akan ikut berputar, melakukan usaha untuk mencampur cairan di dalam kompas. Tetapi ada cara yang sedikit lebih sederhana - Anda dapat mengambil magnet luar, misalnya, dalam bentuk batang dengan kutub di ujungnya, yang medannya jauh lebih kuat dari medan magnet bumi, dan membawanya ke kompas dari atas. dan putar magnetnya. Panah tersebut akan bergerak mengikuti putaran medan magnet. Dalam motor sinkron nyata, medan stator diciptakan oleh elektromagnet - kumparan dengan arus. Sirkuit belitan di sana rumit, tetapi prinsipnya sama - mereka menciptakan medan magnet yang diarahkan ke stator sisi kanan dan memiliki amplitudo yang diperlukan. Mari kita lihat gambar berikut (Gambar 1). Di tengah ada magnet - rotor motor sinkron ("panah" kompas), dan di sisinya ada dua elektromagnet - kumparan, masing-masing menciptakan medan magnetnya sendiri, satu di sumbu vertikal, yang lain secara horizontal.

Gambar 1. Prinsip pengoperasian mesin listrik sinkron

Fluks magnet kumparan sebanding dengan arus di dalamnya (perkiraan pertama). Kita akan tertarik pada fluks magnet dari stator di tempat rotor berada, yaitu. di tengah gambar (kita mengabaikan efek tepi, hamburan, dan lainnya). Fluks magnet dari dua kumparan yang terletak tegak lurus dijumlahkan secara vektor, membentuk satu fluks yang sama untuk interaksi dengan rotor. Tetapi karena fluks sebanding dengan arus dalam kumparan, akan lebih mudah untuk menggambar vektor arus secara langsung, menyelaraskannya dengan fluks. Gambar tersebut menunjukkan beberapa arus saya α Dan saya β, masing-masing menciptakan fluks magnet sepanjang sumbu α dan β. Total vektor arus stator Adalah menciptakan fluks magnet stator yang diarahkan bersama. Itu. pada dasarnya Adalah melambangkan magnet luar yang kita bawa ke kompas, tetapi diciptakan oleh elektromagnet - kumparan dengan arus.
Pada gambar, rotor terletak pada posisi sembarang, namun dari posisi tersebut rotor akan cenderung berputar sesuai dengan fluks magnet stator, yaitu. berdasarkan vektor Adalah(posisi rotor dalam hal ini ditampilkan garis putus-putus). Oleh karena itu, jika Anda menerapkan arus hanya ke fase α , katakanlah saya α= 1A, rotor akan berdiri secara horizontal, dan jika di β, secara vertikal, dan jika diterapkan saya β= -1 Dan kemudian akan terbalik 180 derajat. Jika Anda menyediakan arus saya α menurut hukum sinus, dan saya β menurut hukum kosinus waktu, medan magnet yang berputar akan tercipta. Rotor akan mengikutinya dan berputar (seperti jarum kompas mengikuti putaran magnet dengan tangan). Ini adalah prinsip operasi dasar mesin sinkron, in dalam hal ini dua fase dengan sepasang plus.
Mari kita menggambar grafik torsi motor tergantung pada posisi sudut poros rotor dan vektor arus Adalah stator – karakteristik sudut motor sinkron. Ketergantungan ini bersifat sinusoidal (Gambar 2).

Gambar 2. Karakteristik sudut mesin sinkron (ada beberapa kebingungan historis di sini dengan tanda-tanda momen dan sudut, itulah sebabnya karakteristik tersebut sering digambarkan terbalik terhadap sumbu horizontal).

Untuk mendapatkan grafik ini dalam praktiknya, Anda dapat memasang sensor torsi pada poros rotor, kemudian menyalakan vektor arus apa pun, misalnya cukup mengalirkan arus ke fasa . Rotor akan berputar ke posisi yang sesuai, yang harus dianggap nol. Kemudian, melalui sensor torsi, Anda perlu memutar rotor “dengan tangan”, memperbaiki sudut pada grafik di setiap titik θ , yang diputar, dan momen yang ditunjukkan sensor. Itu. Anda perlu meregangkan “pegas magnet” mesin melalui sensor torsi. Momen terbesar akan berada pada sudut 90 derajat dari vektor arus (dari awal). Amplitudo torsi maksimum yang dihasilkan Mmax sebanding dengan amplitudo vektor arus yang diterapkan. Jika 1A diterapkan, kita mendapatkan, katakanlah, M max = 1 N∙m (newton*meter, satuan pengukuran torsi), jika kita menerapkan 2A, kita mendapatkan M max = 2 N∙m.

Dari karakteristik ini dapat disimpulkan bahwa motor mengembangkan torsi terbesar ketika rotor berada pada sudut 90° terhadap vektor arus. Karena ketika membuat sistem kendali pada mikrokontroler, kita ingin mendapatkan torsi tertinggi dari motor dengan rugi-rugi yang minimal, dan rugi-rugi yang pertama-tama adalah arus pada belitan, maka yang paling rasional adalah selalu mengatur arus. vektor pada 90° sampai medan magnet rotor, yaitu tegak lurus terhadap magnet pada Gambar 1. Kita perlu mengubah semuanya sebaliknya - rotor tidak bergerak menuju vektor arus yang kita atur, tetapi kita selalu mengatur vektor arus pada 90° terhadap rotor, tidak peduli bagaimana ia berputar di sana , yaitu “paku” vektor arus ke rotor. Kami akan mengatur torsi motor dengan amplitudo arus. Semakin besar amplitudonya, semakin tinggi pula torsinya. Tetapi frekuensi putaran, frekuensi arus dalam belitan bukan lagi urusan “kita” - apa yang terjadi, bagaimana rotor berputar, begitulah jadinya - kita mengontrol torsi pada poros. Anehnya, inilah yang disebut kontrol vektor - ketika kita mengontrol vektor arus stator sehingga berada pada 90° terhadap medan magnet rotor. Meskipun beberapa buku teks memberikan definisi yang lebih luas, sampai-sampai pengendalian vektor secara umum mengacu pada hukum pengendalian yang melibatkan “vektor”, namun biasanya pengendalian vektor mengacu pada metode pengendalian di atas.

Membangun struktur pengendalian vektor

Namun bagaimana pengendalian vektor dicapai dalam praktiknya? Tentunya, pertama-tama Anda perlu mengetahui posisi rotor sehingga Anda memiliki sesuatu yang dapat diukur secara relatif 90°. Cara termudah untuk melakukannya adalah dengan memasang sensor posisi itu sendiri pada poros rotor. Maka Anda perlu memikirkan cara membuat vektor arus, mempertahankan arus yang diinginkan secara bertahap α Dan β . Kita memberikan tegangan ke motor, bukan arus... Namun karena kita ingin menopang sesuatu, kita perlu mengukurnya. Oleh karena itu, untuk pengendalian vektor diperlukan sensor arus fasa. Selanjutnya, Anda perlu merakit struktur kendali vektor dalam bentuk program pada mikrokontroler yang akan melakukan sisanya. Agar penjelasan ini tidak terlihat seperti instruksi tentang “cara menggambar burung hantu”, mari kita lanjutkan menyelaminya.
Anda dapat menjaga arus dengan mikrokontroler menggunakan perangkat lunak pengatur arus PI (proporsional-integral) dan PWM. Misalnya, struktur dengan pengatur arus untuk satu fasa α ditunjukkan di bawah ini (Gambar 3).

Gambar 3. Struktur kendali arus-tertutup untuk satu fasa

Berikut adalah pengaturan saat ini aku α_kembali– konstanta tertentu, arus yang ingin kita pertahankan untuk fasa ini, misalnya 1A. Tugas tersebut dikirim ke penambah regulator saat ini, struktur yang diungkapkan ditunjukkan di atas. Jika pembaca tidak mengetahui cara kerja pengontrol PI, sayang sekali. Saya hanya dapat merekomendasikan beberapa di antaranya. Regulator arus keluaran mengatur tegangan fasa kamu α. Tegangan disuplai ke blok PWM, yang menghitung pengaturan siklus kerja (pengaturan perbandingan) untuk pengatur waktu PWM mikrokontroler, yang menghasilkan PWM pada inverter jembatan empat sakelar untuk menghasilkan ini kamu α. Algoritmanya bisa berbeda-beda, misalnya untuk tegangan positif, PWM rak kanan sebanding dengan pengaturan tegangan, sakelar bawah ditutup di kiri, untuk PWM negatif, sakelar kiri ditutup, sakelar bawah ditutup. di sebelah kanan. Jangan lupa tambahkan waktu mati! Akibatnya, struktur seperti itu menjadikan perangkat lunak sebagai "sumber arus" dengan mengorbankan sumber tegangan: kita menetapkan nilai yang kita perlukan aku α_kembali, A struktur ini mengimplementasikannya dengan kecepatan tertentu.

Lebih lanjut, mungkin beberapa pembaca telah berpikir bahwa struktur kendali vektor hanya tinggal menunggu waktu - Anda perlu memasang dua pengatur arus, satu pengatur untuk setiap fase, dan membuat tugas berdasarkan sudut dari sensor posisi rotor ( RPS), yaitu e. buatlah struktur seperti ini (Gambar 4):

Gambar 4. Struktur pengendalian vektor yang salah (naif).

Anda tidak bisa melakukan itu. Ketika rotor berputar, variabelnya aku α_kembali Dan saya β_kembali akan menjadi sinusoidal, mis. tugas regulator saat ini akan berubah setiap saat. Kecepatan pengontrol tidak terbatas, sehingga ketika tugas berubah, ia tidak langsung memprosesnya. Jika tugas terus-menerus diubah, maka regulator akan selalu mengejarnya, tidak pernah mencapainya. Dan ketika kecepatan putaran mesin meningkat, jeda arus nyata dari arus yang disetel akan menjadi semakin besar, hingga sudut 90° yang diinginkan antara arus dan magnet rotor tidak lagi serupa sama sekali, dan vektornya kontrol tidak lagi demikian. Itu sebabnya mereka melakukannya secara berbeda. Struktur yang benar selanjutnya (Gambar 5):

Gambar 5. Struktur kendali sensor vektor untuk mesin sinkron dua fasa

Dua blok telah ditambahkan di sini - BKP_1 dan BKP_2: blok transformasi koordinat. Mereka melakukannya dengan sangat baik hal yang sederhana: memutar vektor masukan dengan sudut tertentu. Apalagi BOD_1 berubah menjadi + ϴ , dan BKP_2 pada - ϴ . Itu saja perbedaan di antara mereka. Dalam literatur asing disebut transformasi Park. BKP_2 melakukan transformasi koordinat untuk arus: dari sumbu tetap α Dan β , diikatkan pada stator motor, pada sumbu putar D Dan Q, diikatkan pada rotor mesin (menggunakan sudut posisi rotor ϴ ). Dan BKP_1 melakukan transformasi sebaliknya, dari mengatur tegangan sepanjang sumbu D Dan Q melakukan transisi ke sumbu α Dan β . Saya tidak memberikan rumus apa pun untuk mengubah koordinat, tetapi rumus tersebut sederhana dan sangat mudah ditemukan. Sebenarnya tidak ada yang lebih rumit dari geometri sekolah (Gambar 6):

Gambar 6. Transformasi koordinat dari sumbu tetap α dan β yang diikatkan pada stator motor ke sumbu berputar. D Dan Q, diikat ke rotor

Artinya, alih-alih “memutar” pengaturan regulator (seperti yang terjadi pada struktur sebelumnya), input dan outputnya berputar, dan regulator itu sendiri beroperasi dalam mode statis: arus D, Q dan output dari pengontrol dalam kondisi tunak adalah konstan. as D Dan Q berputar bersama dengan rotor (saat diputar oleh sinyal dari sensor posisi rotor), sedangkan sumbu pengatur Q mengatur dengan tepat arus yang pada awal artikel saya sebut “tegak lurus terhadap medan rotor”, yaitu arus pembangkit torsi, dan arus D sejajar dengan “magnet rotor”, jadi kita tidak membutuhkannya dan kita setel ke nol. Struktur ini bebas dari kelemahan struktur pertama - regulator saat ini bahkan tidak mengetahui bahwa ada sesuatu yang berputar di suatu tempat. Mereka bekerja dalam mode statis: mereka telah menyesuaikan masing-masing arusnya, mencapai tegangan yang ditentukan - dan hanya itu, seperti rotor, jangan lari darinya, mereka bahkan tidak akan mengetahuinya: semua pekerjaan dari pembubutan dilakukan dengan blok transformasi koordinat.

Untuk menjelaskan “dengan jari” Anda dapat memberikan beberapa analogi.

Untuk lalu lintas linier, misal bus kota. Ia terus-menerus berakselerasi, lalu melambat, lalu mundur dan umumnya berperilaku sesuai keinginannya: ia adalah rotor mesin. Selain itu, Anda berada di dalam mobil di dekatnya, mengemudi secara paralel: tugas Anda adalah berada tepat di tengah-tengah bus: “pertahankan 90°”, Anda adalah pengatur saat ini. Jika bus selalu berubah kecepatannya, Anda juga harus mengubah kecepatannya dan memantaunya setiap saat. Namun sekarang kami akan melakukan “kontrol vektor” untuk Anda. Anda naik ke dalam bus, berdiri di tengah dan berpegangan pada pegangan - seperti bus, jangan lari, Anda dapat dengan mudah mengatasi tugas "berada di tengah bus". Demikian pula, pengatur arus, yang “berputar” pada sumbu putar d, q rotor, menjalani kehidupan yang mudah.

Struktur di atas benar-benar berfungsi dan digunakan pada penggerak listrik modern. Hanya saja ia kekurangan sejumlah “perbaikan” kecil, yang tanpanya tidak lagi lazim dilakukan, seperti kompensasi untuk sambungan silang, berbagai pembatasan, melemahnya lapangan, dll. Tapi ini adalah prinsip dasarnya.

Dan bagaimana jika Anda perlu mengatur bukan torsi penggerak, tetapi tetap kecepatannya (kecepatan sudut yang benar, frekuensi putaran)? Kalau begitu kita instal pengontrol PI lain - pengontrol kecepatan (RS). Kami menerapkan perintah kecepatan pada input, dan pada output kami memiliki perintah torsi. Sejak sumbu saat ini Q sebanding dengan torsi, maka untuk menyederhanakannya, keluaran pengontrol kecepatan dapat diumpankan langsung ke masukan pengontrol arus sumbu Q, seperti ini (Gambar 7):

Gambar 7. Pengontrol kecepatan untuk pengendalian vektor
Di sini ZI adalah pengatur intensitas, mengubah outputnya dengan lancar sehingga mesin berakselerasi pada kecepatan yang diinginkan, dan tidak melaju dengan kecepatan tinggi. arus penuh sebelum mengatur kecepatan. Kecepatan saat ini ω diambil dari pengendali sensor posisi rotor, karena ω ini adalah turunan dari posisi sudut ϴ . Ya, atau Anda cukup mengukur waktu antara pulsa sensor...

Cara melakukan hal yang sama untuk motor tiga fasa? Sebenarnya tidak ada yang istimewa, tambahkan blok lain dan ubah modul PWM (Gambar 8).

Gambar 8. Struktur kendali sensor vektor untuk mesin sinkron tiga fasa

Arus tiga fase, seperti halnya arus dua fase, memiliki satu tujuan - untuk membuat vektor arus stator Adalah, diarahkan ke arah yang diinginkan dan memiliki amplitudo yang diinginkan. Itu sebabnya arus tiga fasa Anda cukup mengubahnya menjadi dua fase, dan kemudian meninggalkan sistem kontrol yang sama yang telah dirakit untuk mesin dua fase. Dalam literatur berbahasa Inggris, “penghitungan ulang” seperti itu disebut transformasi Clarke (Edith Clarke adalah dia), di negara kita disebut transformasi fase. Oleh karena itu, dalam struktur pada Gambar 8, hal ini dilakukan oleh blok transformasi fasa. Mereka melakukannya lagi dengan menggunakan kursus geometri sekolah (Gambar 9):

Gambar 9. Konversi fase - dari tiga fase menjadi dua. Untuk memudahkan, kita asumsikan bahwa amplitudo vektor I s sama dengan amplitudo arus dalam fasa

Saya pikir tidak diperlukan komentar. Sedikit penjelasan tentang arus fasa C. Tidak perlu memasang sensor arus di sana, karena ketiga fasa motor dihubungkan secara bintang, dan menurut hukum Kirchhoff, segala sesuatu yang mengalir melalui dua fasa harus mengalir keluar. yang ketiga (kecuali, tentu saja, ada lubang di insulasi motor Anda, dan setengahnya tidak bocor ke rumahan), oleh karena itu arus fasa C dihitung sebagai jumlah skalar arus fasa A dan B dengan a tanda kurang. Meskipun terkadang sensor ketiga dipasang untuk mengurangi kesalahan pengukuran.

Pengerjaan ulang modul PWM secara menyeluruh juga diperlukan. Biasanya, inverter enam sakelar tiga fase digunakan untuk motor tiga fase. Pada gambar, perintah tegangan masih sampai pada sumbu dua fasa. Di dalam modul PWM, dengan menggunakan transformasi fasa terbalik, Anda dapat mengubahnya menjadi tegangan fasa A, B, C, yang harus diterapkan ke motor saat ini. Tapi apa yang harus dilakukan selanjutnya... Pilihan dimungkinkan. Metode yang naif adalah dengan menetapkan siklus kerja untuk setiap rak inverter sebanding dengan tegangan yang diinginkan ditambah 0,5. Ini disebut gelombang sinus PWM. Ini adalah metode yang penulis gunakan di habrahabr.ru/post/128407. Semuanya baik-baik saja dalam metode ini, kecuali bahwa metode ini akan kurang memanfaatkan inverter tegangan - mis. tegangan maksimum, yang didapat akan lebih sedikit dari yang bisa didapat jika menggunakan metode PWM yang lebih canggih.

Ayo kita hitung. Biarkan Anda memiliki konverter frekuensi klasik yang ditenagai oleh industri jaringan tiga fase 380V 50Hz. Di sini 380V adalah tegangan efektif linier (antar fase). Karena konverter berisi penyearah, ia akan menyearahkan tegangan ini dan bus DC akan memiliki tegangan yang sama dengan amplitudo tegangan linier, yaitu. 380∙√2=540V tegangan searah(Oleh setidaknya tanpa beban). Jika kita menerapkan algoritma perhitungan sinusoidal pada modul PWM, maka amplitudonya maksimal tegangan fasa, yang dapat kita lakukan adalah sama dengan setengah tegangan pada bus DC, yaitu. 540/2=270V. Mari kita ubah menjadi fase efektif: 270/√2=191V. Dan sekarang ke linier saat ini: 191∙√3=330V. Sekarang kita bisa membandingkan: 380V masuk, tapi 330V keluar... Dan Anda tidak dapat melakukan apa pun dengan PWM jenis ini. Untuk memperbaiki masalah ini, digunakan apa yang disebut PWM tipe vektor. Outputnya akan kembali menjadi 380V (idealnya, tidak memperhitungkan semua penurunan tegangan). Vektor PWM tidak ada hubungannya dengan pengendalian vektor motor listrik. Hanya saja alasannya lagi-lagi menggunakan sedikit geometri sekolah, makanya disebut vektor. Namun karyanya tidak dapat dijelaskan dengan jari, jadi saya akan merujuk pembaca ke buku (di akhir artikel) atau ke Wikipedia. Saya juga dapat memberikan gambaran yang sedikit mengisyaratkan perbedaan cara kerja PWM sinusoidal dan vektor (Gambar 10):

Gambar 10. Perubahan potensial fasa untuk PWM skalar dan vektor

Jenis sensor posisi

Ngomong-ngomong, sensor posisi apa yang digunakan untuk pengendalian vektor? Ada empat jenis sensor yang paling umum digunakan. Ini adalah encoder inkremental kuadratur, encoder berbasis elemen Hall, encoder posisi absolut, dan encoder sinkron.
Encoder kuadratur tidak menunjukkan posisi absolut rotor - dengan impulsnya, ini hanya memungkinkan Anda menentukan seberapa jauh Anda telah melakukan perjalanan, tetapi tidak di mana dan dari mana (bagaimana awal dan akhir berhubungan dengan lokasi magnet rotor). Oleh karena itu, ini tidak cocok untuk pengendalian vektor mesin sinkron. Tanda referensinya (indeks) sedikit menyelamatkan situasi - hanya ada satu per putaran mekanis, jika Anda mencapainya, maka posisi absolutnya diketahui, dan dari situ Anda sudah dapat menghitung berapa banyak yang telah Anda tempuh. sinyal kuadratur. Tetapi bagaimana cara mencapai titik ini di awal pekerjaan? Secara umum, hal ini tidak selalu merepotkan.
Sensor elemen aula- Ini adalah sensor yang kasar. Ini hanya menghasilkan beberapa pulsa per putaran (tergantung pada jumlah elemen Hall; untuk motor tiga fase biasanya ada tiga, yaitu enam pulsa), memungkinkan Anda mengetahui posisi dalam nilai absolut, tetapi dengan akurasi rendah. Ketelitian biasanya cukup untuk menjaga sudut vektor arus sehingga motor minimal bergerak maju dan tidak mundur, namun torsi dan arus akan berdenyut. Jika mesin telah berakselerasi, maka Anda dapat mulai mengekstrapolasi sinyal dari sensor secara terprogram dari waktu ke waktu - mis. buatlah sudut yang bervariasi secara linier dari sudut diskrit kasar. Hal ini dilakukan berdasarkan asumsi bahwa motor berputar dengan kecepatan kira-kira konstan, kira-kira seperti ini (Gambar 11):

Gambar 11. Pengoperasian sensor posisi elemen Hall untuk mesin tiga fase dan ekstrapolasi sinyalnya

Seringkali kombinasi encoder dan sensor efek Hall digunakan untuk motor servo. Dalam hal ini, Anda dapat membuatnya menjadi satu modul perangkat lunak pemrosesannya, menghilangkan kelemahan keduanya: mengekstrapolasi sudut yang diberikan di atas, tetapi bukan berdasarkan waktu, tetapi dengan tanda dari pembuat enkode. Itu. Sebuah encoder beroperasi di dalam sensor Hall dari ujung ke ujung, dan setiap tepi Hall dengan jelas menginisialisasi posisi sudut absolut saat ini. Dalam hal ini, hanya gerakan pertama drive yang tidak optimal (tidak pada 90°), hingga mencapai bagian depan sensor Hall. Masalah tersendiri dalam hal ini adalah pemrosesan non-idealitas kedua sensor - jarang ada orang yang mengatur elemen Hall secara simetris dan merata...

Dalam aplikasi yang lebih mahal lagi mereka menggunakannya pembuat enkode absolut Dengan antarmuka digital(encoder absolut), yang segera menampilkan posisi absolut dan menghindari masalah yang dijelaskan di atas.

Jika motor listrik sangat panas, dan juga bila diperlukan peningkatan akurasi pengukuran sudut, gunakan "analog" sensor sinkron(resolver, trafo berputar). Ini adalah mesin listrik kecil yang digunakan sebagai sensor. Bayangkan bahwa dalam mesin sinkron yang kita bahas pada Gambar 1, alih-alih magnet, ada kumparan lain yang kita gunakan sinyal frekuensi tinggi. Jika rotornya horizontal, maka sinyal hanya akan diinduksi ke kumparan stator fasa α , jika vertikal - maka hanya di β , jika diputar 180, fase sinyal akan berubah, dan pada posisi tengah, sinyal diinduksi di sana-sini sesuai dengan hukum sinus/kosinus. Oleh karena itu, dengan mengukur amplitudo sinyal dalam dua kumparan, posisinya juga dapat ditentukan dari rasio amplitudo tersebut dan pergeseran fasa. Dengan memasang mesin seperti sensor pada mesin utama, Anda dapat mengetahui posisi rotor.
Masih banyak lagi sensor posisi eksotis, terutama untuk aplikasi presisi sangat tinggi seperti pembuatan chip elektronik. Sudah ada fenomena fisik, hanya untuk mengetahui posisi paling akurat. Kami tidak akan mempertimbangkannya.

Menyederhanakan pengendalian vektor

Seperti yang Anda pahami, pengendalian vektor cukup menuntut - berikan sensor posisi, sensor arus, kontrol vektor PWM, dan tidak ada mikrokontroler yang menghitung semua matematika ini. Oleh karena itu untuk aplikasi sederhana itu disederhanakan. Untuk memulainya, Anda dapat menghilangkan sensor posisi dengan membuat kontrol vektor tanpa sensor. Untuk melakukan ini, gunakan sedikit keajaiban matematika, yang terletak di persegi panjang kuning (Gambar 12):

Gambar 12. Struktur pengendalian vektor tanpa sensor

Pengamat adalah blok yang menerima informasi tentang tegangan yang diberikan ke motor (misalnya, dari pekerjaan pada modul PWM) dan tentang arus di motor dari sensor. Di dalam pengamat terdapat model motor listrik, yang secara kasar mencoba menyesuaikan arus di stator dengan arus yang diukur dari motor sebenarnya. Jika berhasil, maka dapat diasumsikan bahwa posisi rotor yang disimulasikan di dalam poros juga sesuai dengan posisi sebenarnya dan dapat digunakan untuk kebutuhan pengendalian vektor. Tentu saja, ini disederhanakan sepenuhnya. Ada banyak sekali tipe pengamat seperti ini. Setiap mahasiswa pascasarjana yang berspesialisasi dalam penggerak listrik mencoba menciptakan miliknya sendiri, yang lebih baik daripada yang lain. Prinsip dasarnya adalah memantau EMF motor listrik. Oleh karena itu, seringkali sistem kendali tanpa sensor hanya beroperasi dalam jangka waktu yang relatif lama frekuensi tinggi rotasi, di mana EMF besar. Ini juga memiliki sejumlah kelemahan dibandingkan dengan kehadiran sensor: Anda perlu mengetahui parameter mesin, kecepatan penggerak terbatas (jika kecepatan putaran berubah tajam, pengamat mungkin tidak punya waktu untuk melacaknya dan “berbohong ” untuk beberapa waktu, atau bahkan “berantakan” sepenuhnya) , menyiapkan pengamat adalah keseluruhan prosedur baginya pekerjaan yang berkualitas Anda perlu mengetahui secara pasti tegangan pada motor, mengukur arusnya secara akurat, dll.

Ada opsi penyederhanaan lain. Misalnya, Anda dapat melakukan apa yang disebut “peralihan otomatis”. Dalam hal ini, untuk motor tiga fase, mereka meninggalkan metode PWM yang kompleks, meninggalkan struktur vektor yang kompleks dan mulai menghidupkan fase motor menggunakan sensor posisi pada elemen Hall, bahkan terkadang tanpa batasan arus apa pun. Arus dalam fasa-fasanya tidak sinusoidal, melainkan trapesium, persegi panjang, atau bahkan lebih terdistorsi. Namun mereka mencoba memastikan bahwa vektor arus rata-rata masih pada 90 derajat terhadap “magnet rotor” dengan memilih momen ketika fasa dihidupkan. Pada saat yang sama, dengan menyalakan fasa di bawah tegangan, tidak diketahui kapan arus dalam fasa motor akan meningkat. Pada kecepatan putaran rendah ia melakukan ini lebih cepat, pada kecepatan tinggi, di mana EMF mesin mengganggu, ia melakukannya lebih lambat; laju kenaikan arus juga bergantung pada induktansi motor, dll. Oleh karena itu, bahkan memasukkan fase-fase tersebut pada waktu yang tepat, sama sekali bukan fakta bahwa vektor arus rata-rata akan berada di di tempat yang tepat dan dengan fase yang diperlukan - fase tersebut dapat maju atau tertinggal relatif terhadap 90 derajat optimal. Oleh karena itu, dalam sistem seperti itu, pengaturan "switching advance" diperkenalkan - pada dasarnya hanya waktu, berapa banyak tegangan awal yang perlu diterapkan ke fase motor, sehingga pada akhirnya fase vektor arus mendekati 90 derajat. Sederhananya, ini disebut “pengaturan waktu”. Karena arus dalam motor listrik selama pergantian otomatis tidak bersifat sinusoidal, maka jika kita mengambil mesin sinusoidal yang dibahas di atas dan mengendalikannya dengan cara ini, maka torsi pada poros akan berdenyut. Oleh karena itu, pada motor yang dirancang untuk pergantian otomatis, hal ini sering terjadi dengan cara yang khusus mereka mengubah geometri magnetik rotor dan stator sehingga menjadi lebih cocok untuk jenis kontrol ini: EMF dari mesin tersebut dibuat trapesium, sehingga bekerja lebih baik dalam mode pergantian otomatis. Mesin sinkron yang dioptimalkan untuk pergantian otomatis disebut motor arus searah tanpa sikat (BLDC) atau dalam bahasa Inggris BLDC (Brushless Direct Current Motor). Mode pergantian otomatis juga sering disebut mode katup, dan motor yang beroperasi dengannya adalah tipe katup. Namun ini semua hanyalah nama berbeda yang tidak mempengaruhi esensinya sama sekali (tetapi operator penggerak listrik berpengalaman sering kali menderita CPGS dalam hal yang berkaitan dengan nama ini). Ada video bagus yang menggambarkan prinsip pengoperasian mesin tersebut. Ini menunjukkan motor terbalik, dengan rotor di luar dan stator di dalam:

Tapi ada artikel tentang mesin tersebut dan perangkat keras sistem kontrolnya.

Anda dapat melakukan penyederhanaan yang lebih besar lagi. Ganti belitan sehingga satu fasa selalu “bebas” dan tidak ada PWM yang diterapkan padanya. Kemudian dimungkinkan untuk mengukur EMF (tegangan yang diinduksi dalam kumparan fasa), dan ketika tegangan ini melewati nol, gunakan ini sebagai sinyal dari sensor posisi rotor, karena fasa dari tegangan yang diinduksi ini bergantung tepat pada posisi dari kumparan fase. rotor. Hal ini menghasilkan pergantian otomatis tanpa sensor, yang banyak digunakan dalam berbagai penggerak sederhana, misalnya, pada “regulator” untuk baling-baling model pesawat terbang. Harus diingat bahwa EMF mesin hanya muncul pada kecepatan putaran yang relatif tinggi, oleh karena itu, untuk memulai, sistem kendali tersebut cukup berpindah fasa secara perlahan, dengan harapan rotor motor akan mengikuti arus yang disuplai. Segera setelah EMF muncul, mode pergantian otomatis diaktifkan. Oleh karena itu, sistem tanpa sensor (sangat sederhana, dan seringkali juga rumit) tidak cocok untuk tugas-tugas di mana mesin harus mampu mengembangkan torsi pada kecepatan mendekati nol, misalnya, untuk penggerak traksi mobil (atau modelnya) , penggerak servo dari beberapa mekanisme, dll. p. Namun sistem tanpa sensor ini berhasil diterapkan pada pompa dan kipas yang digunakan.

Namun terkadang mereka membuat penyederhanaan yang lebih besar. Anda dapat sepenuhnya meninggalkan mikrokontroler, kunci, sensor posisi, dan hal-hal lain dengan mengganti fase dengan sakelar mekanis khusus (Gambar 13):

Gambar 13. Sakelar mekanis untuk mengganti belitan

Saat berputar, rotor itu sendiri mengganti bagian-bagian belitannya, mengubah tegangan yang diberikan padanya, sementara arus bolak-balik mengalir di rotor. Komutator diposisikan sedemikian rupa sehingga fluks magnet rotor dan stator kembali mendekati 90 derajat untuk mencapai torsi maksimum. Motor seperti itu secara naif disebut motor DC, tetapi sepenuhnya tidak pantas: di dalam, setelah kolektor, arusnya masih bolak-balik!

Kesimpulan

Semua mesin listrik berfungsi dengan cara yang serupa. Dalam teori penggerak listrik, bahkan terdapat konsep “mesin listrik umum”, yang mengurangi pekerjaan orang lain. Penjelasan sederhana yang ditampilkan dalam artikel tersebut sama sekali tidak dapat membantu panduan praktis untuk menulis kode mikrokontroler. Artikel ini membahas dengan baik jika satu persen dari informasi yang diperlukan untuk menerapkan pengendalian vektor nyata. Untuk melakukan sesuatu dalam praktik, pertama-tama Anda perlu mengetahui TAU, setidaknya pada tingkat pemahaman cara kerja pengontrol PI. Maka Anda masih perlu mempelajari deskripsi matematis dari mesin sinkron dan sintesis pengendalian vektor. Pelajari juga vektor PWM, cari tahu apa itu pasangan kutub, kenali jenis-jenis belitan mesin, dll. Hal ini dapat dilakukan dalam buku terbaru “Sistem Kontrol Penggerak Listrik Anuchin A.S. MPEI, 2015”, serta dalam “Kalachev Yu. N. Regulasi Vektor (catatan latihan)”. Pembaca harus diperingatkan agar tidak menyelami formula buku teks “lama” tentang penggerak, di mana penekanan utamanya adalah mempertimbangkan karakteristik motor listrik ketika ditenagai langsung dari jaringan industri tiga fase, tanpa mikrokontroler dan sensor posisi. Perilaku mesin dalam hal ini dijelaskan rumus yang rumit dan ketergantungan, namun untuk masalah pengendalian vektor hampir tidak ada gunanya (kalau hanya dipelajari untuk pengembangan diri). Anda harus sangat berhati-hati dengan rekomendasi dari buku teks lama, di mana, misalnya, dikatakan bahwa mesin sinkron tidak boleh beroperasi pada torsi maksimumnya, karena pengoperasian di sana tidak stabil dan terancam terbalik - semua ini adalah “nasihat yang buruk ” untuk pengendalian vektor.

Tentang mikrokontroler mana Anda dapat membuat kontrol vektor lengkap, baca, misalnya, di artikel kami Mikrokontroler kontrol motor domestik baru K1921VK01T JSC NIIET, dan cara men-debugnya di artikel Metode untuk men-debug perangkat lunak mikrokontroler di penggerak listrik. Kunjungi juga situs web kami: khususnya, ada dua video membosankan yang diposting di sana, yang menunjukkan dalam praktiknya cara mengatur pengontrol arus PI, serta cara kerja struktur kontrol tertutup saat ini dan tanpa sensor vektor. Selain itu, Anda dapat membeli kit debugging dengan struktur kontrol vektor sensor siap pakai pada mikrokontroler domestik.

P.S.
Saya mohon maaf kepada para ahli atas penanganan beberapa istilah yang tidak sepenuhnya benar, khususnya istilah “aliran”, “hubungan fluks”, “medan magnet” dan lain-lain - kesederhanaan membutuhkan pengorbanan...