Sistema di simulazione del controllo vettoriale indiretto di un motore asincrono. Metodi di controllo utilizzati nei convertitori di frequenza per controllare i motori CA

Controllo vettoriale

Controllo vettorialeè un metodo per controllare motori sincroni e asincroni, non solo generando correnti armoniche (tensioni) delle fasi (controllo scalare), ma fornendo anche il controllo del flusso magnetico del rotore. Prime implementazioni del principio controllo vettoriale e algoritmi di maggiore precisione richiedono l'uso di sensori di posizione del rotore (velocità).

IN caso generale Sotto " controllo vettoriale" si riferisce all'interazione del dispositivo di controllo con il cosiddetto "vettore spaziale", che ruota con la frequenza del campo motore.

Apparato matematico di controllo vettoriale

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Libri

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idea principale controllo vettorialeè controllare non solo l'entità e la frequenza della tensione di alimentazione, ma anche la fase. In altre parole, la grandezza e l'angolo del vettore spaziale sono controllati. Il controllo vettoriale ha molto altro ancora alte prestazioni. Il controllo vettoriale elimina quasi tutti gli svantaggi del controllo scalare.

Vantaggi del controllo vettoriale:
• alta precisione regolazione della velocità;
• avvio regolare e rotazione regolare del motore su tutta la gamma di frequenze;
• risposta rapida alle variazioni di carico: al variare del carico non si verifica praticamente alcuna variazione di velocità;
• maggiore range di controllo e precisione di controllo;
• le perdite dovute al riscaldamento e alla magnetizzazione sono ridotte e .

Gli svantaggi del controllo vettoriale includono:
• la necessità di impostare parametri;
• grandi fluttuazioni di velocità a carico costante;
• elevata complessità computazionale.

Schema funzionale generale del controllo vettoriale

Lo schema a blocchi generale di un sistema di controllo della velocità CA ad alte prestazioni è mostrato nella figura sopra. La base del circuito è il collegamento del flusso magnetico e i circuiti di controllo della coppia insieme ad un'unità di valutazione che può essere implementata diversi modi. In questo caso, il circuito di controllo della velocità esterno è in gran parte unificato e genera segnali di controllo per i regolatori di coppia M * e il collegamento del flusso magnetico Ψ * (tramite l'unità di controllo del flusso). La velocità del motore può essere misurata da un sensore (velocità/posizione) o ottenuta tramite uno stimatore che ne consenta l'implementazione.

Classificazione dei metodi di controllo dei vettori

A partire dagli anni settanta del XX secolo sono stati proposti numerosi metodi di controllo della coppia. Non tutti sono ampiamente utilizzati nell'industria. Pertanto, in questo articolo vengono illustrati solo i metodi di gestione più diffusi. I metodi di controllo della coppia discussi sono presentati per sistemi di controllo con forza elettromotrice sinusoidale.

I metodi di controllo della coppia esistenti possono essere classificati in vari modi.

Molto spesso, i metodi di controllo della coppia sono suddivisi nei seguenti gruppi:
• regolatori lineari (PI, PID);
• regolatori non lineari (isteresi).

Nota:

1. Nessun feedback.
2. Con feedback.
3. In stato stazionario

Tra i controlli vettoriali i più utilizzati sono (FOC - controllo ad orientamento di campo) e (DTC - controllo diretto di coppia).

Regolatori di coppia lineari

I controller di coppia lineari funzionano in combinazione con modulazione dell'ampiezza dell'impulso(PWM). I regolatori determinano il vettore di tensione dello statore richiesto mediato sul periodo di campionamento. Il vettore di tensione viene infine sintetizzato con il metodo PWM; nella maggior parte dei casi viene utilizzata la modulazione del vettore spaziale (SVM). A differenza dei circuiti di controllo della coppia non lineare, in cui i segnali vengono elaborati in base a valori istantanei, in circuiti lineari controllo di coppia, il regolatore lineare (PI) lavora con valori medi sul periodo di campionamento. Pertanto, la frequenza di campionamento può essere ridotta da 40 kHz per regolatori lineari coppia fino a 2-5 kHz nei circuiti di controllo della coppia lineare.

Controllo orientato al campo

Controllo orientato al campo(POA, controllo orientato al campo inglese, FOC) - un metodo di controllo che controlla la corrente alternata senza spazzole (,) come una macchina corrente continua con eccitazione indipendente, il che significa che il campo e può essere controllato separatamente.

Il controllo ad orientamento di campo, proposto nel 1970 da Blaschke e Hasse, si basa su un'analogia con il controllo a commutazione meccanica. In questo motore, gli avvolgimenti di campo e di armatura sono separati, il collegamento del flusso è controllato dalla corrente di campo e la coppia è controllata in modo indipendente dalla regolazione della corrente. Pertanto, il collegamento di flusso e le correnti di coppia sono separati elettricamente e magneticamente.

Schema funzionale generale del controllo sensorless ad orientamento di campo 1

D'altra parte, i motori CA senza spazzole ( , ) hanno molto spesso un avvolgimento dello statore trifase e il vettore della corrente dello statore I s viene utilizzato per controllare sia il flusso che la coppia. Pertanto, la corrente di campo e la corrente di armatura fusi nel vettore della corrente dello statore e non possono essere controllati separatamente. La separazione può essere ottenuta matematicamente - mediante decomposizione valore istantaneo vettore della corrente statorica I s in due componenti: la componente longitudinale della corrente statorica I sd (che crea il campo) e la componente trasversale della corrente statorica I sq (che crea la coppia) in un sistema di coordinate dq rotante orientato lungo il campo del rotore (R -FOC - controllo orientato al flusso del rotore) - immagine sopra. Pertanto, il controllo di un motore CA brushless diventa identico al controllo e può essere ottenuto utilizzando un inverter PWM con un regolatore PI lineare e una modulazione della tensione vettoriale spaziale.

Nel controllo ad orientamento di campo, la coppia e il campo sono controllati indirettamente controllando le componenti vettoriali della corrente dello statore.

I valori istantanei delle correnti statoriche vengono convertiti nel sistema di coordinate rotanti dq utilizzando la trasformazione di Park αβ/dq, che richiede anche informazioni sulla posizione del rotore. Il campo è controllato attraverso la componente di corrente longitudinale I sd , mentre la coppia è controllata attraverso la componente di corrente trasversale I sq . Conversione inversa Park (dq/αβ), un modulo matematico di trasformazione delle coordinate, consente di calcolare le componenti di riferimento del vettore tensione V sα * e V sβ *.

Per determinare la posizione del rotore viene utilizzato un sensore di posizione del rotore installato nel motore elettrico oppure un algoritmo di controllo sensorless implementato nel sistema di controllo, che calcola le informazioni sulla posizione del rotore in tempo reale sulla base dei dati disponibili nel sistema di controllo.

Nella figura seguente è mostrato uno schema a blocchi del controllo diretto della coppia con modulazione vettoriale spaziale con regolazione della coppia e del collegamento di flusso con feedback operante in un sistema di coordinate rettangolare orientato lungo il campo dello statore. Le uscite dei regolatori PI di coppia e di collegamento del flusso vengono interpretate come componenti di riferimento della tensione statorica V ψ * e V M * nel sistema di coordinate dq orientato lungo il campo dello statore (controllo statorico orientato al flusso in inglese, S-FOC). Questi comandi ( tensioni costanti) vengono quindi convertiti in un sistema di coordinate fisse αβ, dopo di che i valori di controllo V sα * e V sβ * vengono forniti al modulo di modulazione del vettore spaziale.

Schema funzionale controllo diretto della coppia con modulazione di tensione vettoriale spaziale

notare che questo schema può essere considerato come un controllo semplificato dello statore ad orientamento di campo (S-FOC) senza anello di controllo della corrente o come un circuito classico (PUM-TV, tabella di commutazione inglese DTC, ST DTC) in cui la tabella di commutazione è sostituita da un modulatore ( FVM) e un regolatore di coppia e flusso a isteresi sono sostituiti da regolatori PI lineari.

Nel controllo diretto della coppia con modulazione vettoriale spaziale (DTC-FCM), la coppia e il collegamento del flusso sono controllati direttamente in un anello chiuso, pertanto è necessaria una stima accurata del flusso e della coppia del motore. A differenza del classico algoritmo di isteresi, funziona con una frequenza di commutazione costante. Ciò migliora significativamente le prestazioni del sistema di controllo: riduce le pulsazioni di coppia e di flusso, consentendo di avviare con sicurezza il motore e di funzionare a basse velocità. Ma allo stesso tempo diminuiscono caratteristiche dinamiche guidare.

Controllori di coppia non lineari

Il gruppo presentato di controllori di coppia parte dall'idea di trasformazione e controllo delle coordinate per analogia con motore commutatore corrente continua, che è la base per. I regolatori non lineari propongono di sostituire il controllo separato con il controllo continuo (isteresi), che corrisponde all'ideologia di funzionamento (on-off) dei dispositivi a semiconduttore dell'inverter.

Rispetto al controllo ad orientamento di campo, gli schemi di controllo diretto della coppia presentano le seguenti caratteristiche:

Vantaggi:
• circuito semplice gestione;
• non sono presenti circuiti di corrente né controllo in corrente continua;
• nessuna trasformazione delle coordinate richiesta;
• non esiste una modulazione di tensione separata;
• nessun sensore di posizione richiesto;
• buona dinamica.

Screpolatura:
• è necessaria una valutazione accurata del vettore e della coppia del collegamento del flusso magnetico dello statore;
• forti pulsazioni di coppia e corrente dovute al regolatore non lineare (isteresi) e alla frequenza di commutazione variabile degli interruttori;
• rumore da vasta gamma grazie alla frequenza di commutazione variabile.

Controllo diretto della coppia

Il metodo di controllo diretto della coppia con una tabella di inclusione è stato descritto per la prima volta da Takahashi e Noguchi in un articolo IEEJ presentato nel settembre 1984 e successivamente in un articolo IEEE pubblicato nel settembre 1986. schema metodo classico il controllo diretto della coppia (DTC) è molto più semplice del metodo di controllo sul campo (), poiché non richiede la trasformazione dei sistemi di coordinate e la misurazione della posizione del rotore. Lo schema del metodo di controllo diretto della coppia (figura sotto) contiene uno stimatore di coppia e flusso statorico, comparatori di coppia e flusso con isteresi, una tabella di commutazione e un inverter.

Principio del metodo controllo diretto della coppia consiste nella scelta di un vettore di tensione per il controllo simultaneo sia della coppia che del flusso statorico. Le correnti statoriche misurate e le tensioni dell'inverter vengono utilizzate per stimare il collegamento del flusso e la coppia. I valori stimati del collegamento del flusso dello statore e della coppia vengono confrontati con i segnali di controllo del collegamento del flusso dello statore ψ s * e della coppia del motore M *, rispettivamente, attraverso un comparatore di isteresi. Il vettore di tensione di controllo del motore richiesto viene selezionato dalla tabella di inclusione in base agli errori di collegamento del flusso digitalizzato d Ψ e alla coppia d M generati dai comparatori di isteresi, nonché in base al settore di posizione del vettore di collegamento del flusso dello statore ottenuto in base alla sua posizione angolare . Pertanto, gli impulsi S A , S B e S C per il controllo tasti di accensione gli inverter vengono generati selezionando un vettore da una tabella.

Classico circuito di controllo diretto della coppia con tabella di commutazione con sensore di velocità

Esistono molte varianti del circuito classico volte a migliorare l'avviamento, le condizioni di sovraccarico e il funzionamento ad altissime prestazioni basse velocità, riducendo l'ondulazione della coppia, operando a frequenze di commutazione variabili e riducendo i livelli di rumore.

Lo svantaggio del metodo classico di controllo diretto della coppia è la presenza di elevate ondulazioni di corrente anche in condizioni stazionarie. Il problema si risolve aumentando frequenza operativa inverter sopra i 40kHz, che aumenta il costo complessivo del sistema di controllo.

Autogoverno diretto

Una domanda di brevetto per il metodo di autogoverno diretto fu depositata da Depenbrock nell'ottobre 1984. Di seguito è riportato lo schema a blocchi dell’autogoverno diretto.

Sulla base dei comandi del concatenamento statorico ψ s * e delle componenti di fase della corrente ψ sA, ψ sB e ψ sC, i comparatori del flusso concatenato generano segnali digitali d A, d B e d C, che corrispondono agli stati di tensione attiva (V 1 – V 6). Il regolatore di coppia isteretico dispone di un segnale di uscita d M che determina gli stati zero. Pertanto, il regolatore del collegamento del flusso dello statore imposta il periodo di tempo stati attivi tensioni che muovono il vettore di collegamento del flusso dello statore lungo un determinato percorso e il regolatore di coppia determina il periodo di tempo degli stati di tensione zero che mantengono la coppia del motore in un campo di tolleranza determinato dall'isteresi.

Schema di autogoverno diretto

Gli elementi caratteristici dello schema di autogoverno diretto sono:
• forme non sinusoidali di flusso concatenato e corrente statorica;
• il vettore di collegamento del flusso statorico si muove lungo una traiettoria esagonale;
• non c'è riserva di tensione di alimentazione, le capacità dell'inverter sono completamente utilizzate;
• la frequenza di commutazione dell'inverter è inferiore a quella del controllo diretto di coppia con tabella di commutazione;
• eccellente dinamica nelle gamme di campo costante e indebolito.

Si noti che le prestazioni del metodo di autocontrollo diretto possono essere riprodotte utilizzando un circuito con un'ampiezza di isteresi del flusso del 14%.

Al giorno d'oggi, il controllo della velocità dei motori CA mediante convertitori di frequenza è ampiamente utilizzato in quasi tutti i settori.

In pratica vengono utilizzati sistemi di controllo della velocità motori trifase AC basato su due principi diversi controlli:
2. Controllo vettoriale.

Metodi di controllo utilizzati nei convertitori di frequenza per controllare i motori CA

Al giorno d'oggi, il controllo della velocità dei motori CA mediante convertitori di frequenza è ampiamente utilizzato in quasi tutti i settori. Ciò è dovuto principalmente ai grandi risultati ottenuti sul campo elettronica di potenza e la tecnologia dei microprocessori, sulla base della quale sono stati sviluppati convertitori di frequenza. D'altra parte, l'unificazione della produzione di convertitori di frequenza da parte dei produttori ha permesso di influenzarne significativamente i costi e di farli ammortizzare in periodi di tempo abbastanza brevi. Il risparmio di risorse energetiche quando si utilizzano convertitori per controllare motori asincroni in alcuni casi può raggiungere il 40% o più.
In pratica vengono utilizzati sistemi di controllo della velocità per motori AC trifase basati su due diversi principi di controllo:
1. Controllo U/f (controllo volt-frequenza o scalare);
2. Controllo vettoriale.

Controllo della velocità U/f dell'azionamento elettrico asincrono

Controllo scalare o regolazione V/f motore asincrono- si tratta di una variazione della velocità del motore influenzando la frequenza della tensione sullo statore e contemporaneamente modificando il modulo di questa tensione. Nella regolazione V/f, frequenza e tensione agiscono come due azioni di controllo, che solitamente vengono regolate insieme. In questo caso, la frequenza viene considerata un'influenza indipendente e il valore della tensione a una determinata frequenza viene determinato in base a come dovrebbe cambiare il tipo di caratteristiche meccaniche dell'azionamento al variare della frequenza, ovvero come dovrebbe cambiare il momento critico a seconda sulla frequenza. Per implementare tale legge di controllo è necessario garantire la costanza del rapporto U/f=const, dove U è la tensione sullo statore e f è la frequenza della tensione statorica.
A capacità di sovraccarico costante, il fattore di potenza nominale e l'efficienza del motore nell'intera gamma di controllo della velocità di rotazione praticamente non cambiano.
Le leggi della regolazione U/f includono leggi relative alle grandezze e alle frequenze della tensione che alimenta il motore (U/f=cost, U/f2=cost e altre). Il loro vantaggio è la capacità di controllare simultaneamente un gruppo di motori elettrici. Il controllo scalare viene utilizzato per la maggior parte delle applicazioni pratiche dei convertitori di frequenza con una gamma di controllo della velocità del motore senza l'uso di un sensore di retroazione fino a 1:40. Gli algoritmi di controllo scalare non consentono il monitoraggio e il controllo della coppia del motore elettrico, nonché della modalità di posizionamento. Area di applicazione più efficace questo metodo controlli: ventilatori, pompe, trasportatori, ecc.

Controllo vettoriale

Il controllo vettoriale è un metodo di controllo dei motori sincroni e asincroni, che non solo genera correnti armoniche e tensioni di fase (controllo scalare), ma fornisce anche il controllo del flusso magnetico del motore. Il controllo vettoriale si basa sull'idea di tensioni, correnti e collegamenti di flusso come vettori spaziali.
I principi di base furono sviluppati negli anni '70 del XX secolo. Come risultato della ricerca teorica fondamentale e dei progressi nel campo dell'elettronica dei semiconduttori di potenza e sistemi a microprocessore Oggi sono stati sviluppati azionamenti elettrici con controllo vettoriale, prodotti in serie dai produttori di apparecchiature di azionamento di tutto il mondo.
Con il controllo vettoriale in un azionamento elettrico asincrono nei processi transitori, è possibile mantenere un collegamento del flusso del rotore costante, a differenza del controllo scalare, dove il collegamento del flusso del rotore nei processi transitori cambia quando cambiano le correnti dello statore e del rotore, il che porta ad un diminuzione della velocità di variazione della coppia elettromagnetica. In un azionamento a controllo vettoriale, in cui il collegamento del flusso del rotore può essere mantenuto costante, la coppia elettromagnetica cambia con la stessa rapidità con cui cambia la componente di corrente dello statore (analoga alla variazione di coppia quando cambia la corrente di armatura in una macchina CC).
Con il controllo vettoriale, il collegamento di controllo implica la presenza di un modello matematico di un azionamento elettrico regolabile. Le modalità di controllo vettoriale possono essere classificate come segue:
1. Secondo l'accuratezza del modello matematico del motore elettrico utilizzato nel collegamento di controllo:
. Utilizzo di un modello matematico senza ulteriori misurazioni chiarificatrici da parte del dispositivo di controllo dei parametri del motore elettrico (vengono utilizzati solo i dati tipici del motore immessi dall'utente);
L'uso di un modello matematico con ulteriori misurazioni chiarificatrici da parte di un dispositivo di controllo dei parametri del motore elettrico, ad es. attivo e reattanza statore/rotore, tensione e corrente del motore.
2. In base alla presenza o meno del feedback di velocità (sensore di velocità), il controllo vettoriale può essere suddiviso in:
Controllo del motore senza retroazione della velocità – in questo caso il dispositivo di controllo utilizza i dati di un modello matematico del motore e i valori ottenuti misurando la corrente dello statore e/o del rotore;
Controllo motore con feedback di velocità - in questo caso il dispositivo utilizza non solo i valori ottenuti misurando la corrente statorica e/o rotorica del motore elettrico (come nel caso precedente), ma anche i dati sulla velocità del rotore (posizione) dal sensore, che in alcune attività di controllo consente di aumentare la precisione dell'impostazione della velocità (posizione) della trazione elettrica.

Le leggi fondamentali del controllo vettoriale includono quanto segue:
UN. La legge che garantisce la costanza del collegamento del flusso magnetico dello statore ψ1 (corrispondente alla costanza di Evnesh /f).
B. La legge che garantisce la costanza del collegamento del flusso magnetico del traferro ψ0 (costanza di E/f);
V. La legge che garantisce la costanza del collegamento del flusso magnetico del rotore ψ2 (costanza di Evnut/f).
La legge di mantenimento di un collegamento del flusso dello statore costante viene implementata mantenendo un rapporto costante tra la fem dello statore e la frequenza angolare del campo. Lo svantaggio principale di questa legge è la ridotta capacità di sovraccarico del motore durante il funzionamento a alte frequenze. Ciò è dovuto all'aumento reattanza induttiva statore e, di conseguenza, una diminuzione del collegamento del flusso nel traferro tra statore e rotore all'aumentare del carico.
Il mantenimento di un flusso principale costante aumenta la capacità di sovraccarico del motore, ma complica l'implementazione hardware del sistema di controllo e richiede modifiche al design della macchina o la presenza di sensori speciali.
Mantenendo un collegamento a flusso rotorico costante, la coppia del motore non ha un massimo, tuttavia, all'aumentare del carico, il flusso magnetico principale aumenta, portando alla saturazione dei circuiti magnetici e, di conseguenza, all'impossibilità di mantenere un flusso rotorico costante collegamento.

Valutazione comparativa delle leggi del controllo della velocità mediante un azionamento elettrico asincrono modificando la frequenza della tensione sullo statore

La Figura 1 mostra i risultati degli studi teorici degli indicatori energetici di un motore asincrono con una potenza di Рн = 18,5 kW secondo varie leggi di controllo della frequenza, che sono state effettuate nel lavoro di V.S. Petrushin e Ph.D. AA. Tankov “Indicatori energetici di un motore asincrono in azionamento elettrico a frequenza sotto diverse leggi di controllo." Qui sono riportati anche i risultati dell'esperimento effettuato durante il test di questo motore (legge di controllo della frequenza U/f = cost). Il motore funzionava con un carico con una coppia costante di 30,5 Nm nell'intervallo di velocità compreso tra 500 e 2930 giri/min.
Confrontando le dipendenze ottenute, possiamo concludere che nella zona a bassa velocità, quando si utilizzano le leggi di controllo del secondo gruppo, l'efficienza è maggiore del 7-21% e il fattore di potenza è inferiore del 3-7%. All’aumentare della velocità le differenze diminuiscono.

Fig. 1. Variazione dell'efficienza (a) e del cosφ (b) nell'intervallo di controllo: 1 - dipendenze sperimentali; dipendenze calcolate per diverse leggi di controllo: 2 - U/f = const, 3 - Evnesh /f = const, 4 - E/f= const, 5 - Evnesh /f= const.
Pertanto, le leggi del controllo vettoriale forniscono non solo migliore controllo trazione elettrica in modalità statica e dinamica, ma anche aumentando l'efficienza del motore e, di conseguenza, dell'intera propulsione. Tuttavia, tutte le leggi che mantengono un flusso costante presentano alcuni inconvenienti.
Uno svantaggio comune delle leggi che mantengono il collegamento a flusso costante è: bassa affidabilità dovuta alla presenza di sensori integrati nel motore e perdite nell'acciaio quando il motore funziona con una coppia di carico inferiore a quella nominale. Queste perdite sono causate dalla necessità di mantenere un flusso nominale costante varie modalità lavoro.
L'efficienza del motore può essere notevolmente aumentata regolando il flusso magnetico dello statore (rotore) in base all'entità della coppia di carico (scorrimento). Gli svantaggi di tale controllo sono le basse caratteristiche dinamiche dell'azionamento, dovute all'elevato valore della costante di tempo del rotore, a causa della quale il flusso magnetico della macchina viene ripristinato con un certo ritardo, e la complessità dell'implementazione tecnica del controllo sistema.
In pratica, l'insieme delle leggi a flusso magnetico costante si è diffuso per gli azionamenti elettrici dinamici operanti con momento resistente sull'albero costante e con frequenti applicazioni di carico d'urto. Mentre un gruppo di leggi con la regolazione del flusso magnetico in funzione del carico sull'albero viene utilizzato per azionamenti elettrici a bassa dinamica e per azionamenti con carico “ventilatore”.

Per implementare la capacità di regolare la coppia e la velocità, vengono utilizzati i moderni azionamenti elettrici seguenti metodi controllo della frequenza, come:

• Vettore;
• Scalare.

I più diffusi sono gli azionamenti elettrici asincroni con controllo scalare. Viene utilizzato negli azionamenti di compressori, ventilatori, pompe e altri meccanismi in cui è necessario mantenere a un certo livello la velocità di rotazione dell'albero del motore elettrico (viene utilizzato un sensore di velocità) o alcuni parametri tecnologici (ad esempio pressione in una tubazione, utilizzando un sensore appropriato).

Il principio di funzionamento del controllo scalare di un motore asincrono è che l'ampiezza e la frequenza della tensione di alimentazione cambiano secondo la legge U/f^n = cost, dove n>=1. Come sarà questa dipendenza in un caso particolare, dipende dai requisiti imposti dal carico sull'azionamento elettrico. Di norma, la frequenza agisce come un'influenza indipendente e la tensione a una determinata frequenza è determinata dal tipo di caratteristica meccanica, nonché dai valori delle coppie critiche e di avviamento. Grazie al controllo scalare è garantita una capacità di sovraccarico costante del motore asincrono, indipendentemente dalla frequenza della tensione, e tuttavia ad un livello abbastanza basse frequenze si potrebbe verificare una notevole riduzione della coppia sviluppata dal motore. Valore massimo L'intervallo di controllo scalare, in cui è possibile regolare il valore della velocità di rotazione del rotore del motore elettrico, senza perdita del momento resistente, non supera 1:10.

Il controllo scalare di un motore a induzione è abbastanza semplice da implementare, ma presenta ancora due inconvenienti significativi. Innanzitutto, se sull'albero non è installato un sensore di velocità, è impossibile regolare il valore della velocità di rotazione dell'albero, poiché dipende dal carico che agisce sull'azionamento elettrico. L'installazione di un sensore di velocità risolve facilmente questo problema, ma rimane un altro inconveniente significativo: l'incapacità di regolare il valore della coppia sull'albero motore. Ovviamente è possibile installare un sensore di coppia, ma il costo di tali sensori, di norma, supera il costo dell'azionamento elettrico stesso. Inoltre, anche se installi un sensore di controllo della coppia, il processo di controllo di questa stessa coppia risulterà incredibilmente inerziale. Un altro "ma" - il controllo scalare di un motore asincrono è caratterizzato dal fatto che è impossibile regolare contemporaneamente velocità e coppia, quindi è necessario regolare il valore che questo momento il tempo è molto importante a causa delle condizioni del processo tecnologico.

Al fine di eliminare le carenze del controllo motore scalare, nel 71° anno del secolo scorso, SIEMENS propose l'introduzione di un metodo di controllo motore vettoriale. I primi azionamenti elettrici con controllo vettoriale utilizzavano motori dotati di sensori di flusso integrati, il che limitava notevolmente la portata di tali azionamenti.

Il sistema di controllo dei moderni azionamenti elettrici contiene modello matematico motore, consentendo di calcolare la velocità di rotazione e la coppia dell'albero. Inoltre, come sensori necessari sono installati solo i sensori di corrente di fase dello statore del motore. La struttura appositamente progettata del sistema di controllo garantisce l'indipendenza e un controllo praticamente privo di inerzia dei parametri principali: coppia dell'albero e velocità di rotazione dell'albero.

A Oggi formato seguenti sistemi controllo vettoriale di un motore asincrono:

• Sensorless – non è presente alcun sensore di velocità sull’albero motore,
• Sistemi con feedback di velocità.

L'utilizzo dei metodi di controllo vettoriale dipende dall'applicazione dell'azionamento elettrico. Se l'intervallo di misurazione della velocità non supera 1:100 e i requisiti di precisione variano entro ±1,5%, viene utilizzato un sistema di controllo senza sensore. Se la misurazione della velocità viene effettuata nell'intervallo di valori che raggiungono 1: 10000 o più, e il livello di precisione deve essere piuttosto elevato (±0,2% a velocità inferiori a 1 Hz), oppure è necessario posizionare il o controllare la coppia sull'albero a basse velocità, viene utilizzato un sistema con feedback di velocità.

Vantaggi del metodo vettoriale per il controllo di un motore asincrono:

• Alto livello precisione nella regolazione della velocità di rotazione dell'albero, nonostante possibile assenza sensore di velocità,
• Il motore gira a basse frequenze senza strappi, dolcemente,
• Se è installato un sensore di velocità, il valore nominale della coppia sull'albero può essere raggiunto anche a zero valore della velocità,
• Risposta rapida a possibili variazioni di carico: improvvisi picchi di carico non hanno praticamente alcun effetto sulla velocità dell'azionamento elettrico,
• Elevato livello di efficienza del motore grazie alle ridotte perdite dovute alla magnetizzazione e al riscaldamento.

Nonostante evidenti vantaggi, il metodo di controllo vettoriale presenta anche alcuni svantaggi: la grande complessità dei calcoli; per il funzionamento è necessaria la conoscenza dei parametri del motore. Inoltre, le fluttuazioni del valore della velocità con carico costante sono molto maggiori rispetto al metodo di controllo scalare. A proposito, ci sono aree in cui gli azionamenti elettrici vengono utilizzati esclusivamente con un metodo di controllo scalare. Ad esempio, un azionamento elettrico di gruppo in cui un convertitore alimenta diversi motori.

Controllo scalare(frequenza) - un metodo di controllo della corrente alternata senza spazzole, che consiste nel mantenere un rapporto tensione/frequenza costante (V/Hz) nell'intero intervallo di velocità operativa, controllando solo l'entità e la frequenza della tensione di alimentazione.

Il rapporto V/Hz viene calcolato in base alla potenza nominale (e alla frequenza) del motore CA da monitorare. Mantenendo costante il rapporto V/Hz, possiamo mantenere un flusso magnetico relativamente costante nel traferro del motore. Se il rapporto V/Hz aumenta il motore diventa sovraeccitato e viceversa se il rapporto diminuisce il motore è sottoeccitato.

Modifica della tensione di alimentazione del motore con controllo scalare

A basse velocità è necessario compensare la caduta di tensione attraverso la resistenza dello statore, quindi il rapporto V/Hz a basse velocità è impostato su un valore superiore al valore nominale. Il metodo di controllo scalare è ampiamente utilizzato per controllare i motori elettrici asincroni.

Applicato ai motori asincroni

Nel metodo di controllo scalare, la velocità viene controllata impostando la tensione e la frequenza dello statore in modo che il campo magnetico nell'intercapedine venga mantenuto al valore desiderato. Per mantenere un campo magnetico costante nell'intercapedine, il rapporto V/Hz deve essere costante a velocità diverse.

All'aumentare della velocità, anche la tensione di alimentazione dello statore deve aumentare proporzionalmente. Tuttavia, la frequenza sincrona di un motore asincrono non è uguale alla velocità dell'albero, ma dipende dal carico. Pertanto, un sistema di controllo scalare ad anello aperto non può controllare accuratamente la velocità quando è presente un carico. Per risolvere questo problema, è possibile aggiungere il sistema Feedback velocità e quindi compensazione dello scorrimento.

Svantaggi del controllo scalare

Metodo controllo scalare relativamente semplice da implementare, ma ne ha diversi carenze significative:
• in primo luogo, se non è installato un sensore di velocità, non è possibile controllare la velocità di rotazione dell'albero, poiché dipende dal carico (la presenza di un sensore di velocità risolve questo problema), e in caso di cambio di carico, si può perdere completamente controllo;
• in secondo luogo, non può essere controllato. Naturalmente, questo problema può essere risolto utilizzando un sensore di coppia, ma il costo di installazione è molto elevato e molto probabilmente sarà superiore a quello dell'azionamento elettrico stesso. In questo caso il controllo della coppia sarà molto inerziale;
• è inoltre impossibile controllare contemporaneamente coppia e velocità.

Il controllo scalare è sufficiente per la maggior parte dei compiti in cui viene utilizzata una trazione elettrica con un intervallo di controllo della velocità del motore fino a 1:10.

Quando è richiesta la massima prestazione, la capacità di adattarsi vasta gamma vengono utilizzate le velocità e la capacità di controllare la coppia del motore elettrico.