Necesitatea si importanta reglajului vectorial pentru motoarele de curent alternativ

Necesitatea si importanta reglajului vectorial pentru motoarele de curent alternativ

Mult timp, motoarele de c.c. au reprezentat unica solutie pentru realizarea actionarilor electrice reglabile. Aceasta din doua motive:

posibilitatea  reglarii separate a fluxului de excitatie si a cuplului electromagnetic dezvoltat, prin intermediul curentului de excitatie, respectiv al curentului prin indus. In mod normal, cei doi curenti pot fi reglati independent, putandu-se astfel obtine simplu sisteme de actionare cu gama mare de reglare;

datorita principiului constructiv, cuplul electromagnetic, ce este determinat, dupa cum se va arata in continuare, de produsul vectorial dintre fluxul de excitatie si curent, devine in cazul motoarelor de c.c. produs scalar. Aceasta, deoarece in cazul motoarelor de c.c., fluxul de excitatie si curentul din indus sunt in permanenta ortogonale. Mai mult chiar, ortogonalitatea celor doua marimi face ca, pentru aceleasi valori ale fluxului si curentului, rezultatul produsului vectorial sa fie maxim.

Motoarele de curent alternativ insa, (asincron si sincron) sunt superioare motorului de c.c. din punct de vedere al dimensiunilor, greutatii, inertiei rotorului, randamentului, costului, fiabilitatii, cheltuielilor de exploatare, etc., mai ales cel asincron cu rotor in scurtcircuit. De remarcat faptul ca motoarele sincrone cu magneti permanenti sunt caracterizate la ora actuala de cea mai mare densitate de putere (raport putere/greutate, putere/volum), ceea ce face sa fie deosebit de atragatoare pentru aplicatii "imbarcate", de tipul celor din industria aeronautica [27].

Aceste tipuri de motoare sunt, datorita avantajelor enumerate, cele care sunt practic "consacrate" in cazul aplicatiilor cu viteza constanta. Totusi, doar dezvoltarile recente din domeniul actionarilor cu viteza variabila au facut posibila aplicarea pe scara larga a actionarilor reglabile cu motoare de c.a. (asincron si sincron).

Este vorba de doua directii de dezvoltare, aparent separate, dar care concura la obtinerea unor sisteme de actionare reglabile competitive, cu motoare de c.a.:

sursele de tensiune si frecventa variabile;

sistemele de reglare performante.

Din punctul de vedere al surselor de tensiune si frecventa variabile, strict necesare in cazul sistemelor de actionare reglabile, trebuiesc avute in vedere cateva aspecte.

Este vorba in primul rand de costul convertoarelor statice ce alimenteaza motoarele de c.a., care este mai mare decat al celor ce alimenteaza motoarele de c.c. Pana nu demult, costul introducerii actionarilor cu viteza variabila cu motoare de c.a. a fost prohibitiv. In plus, complexitatea controlului a determinat dezvoltarea dificila a acestor tipuri de actionari.

Din punctul de vedere al topologiilor (schemelor) convertoarelor statice, se poate spune ca lucrurile s-au cristalizat in mare masura, in perspectiva urmarindu-se imbunatatirea calitatii energiei furnizate, prin tehnici de modulare perfectionate.

Dezvoltarile continue in domeniul componentelor semiconductoare de putere cu care sunt realizate convertoarele statice, au condus insa la imbunatatirea permanenta a acestora, aparand neincetat elemente caracterizate de performante din ce in ce mai bune (viteze de comutatie mari, curenti de conductie mari, tensiuni de blocare foarte mari, capacitate de blocare prin comanda). Ele sunt incapsulate, in cazul ultimelor tipuri de elemente semiconductoare de putere, [44], impreuna cu circuitele de comanda si protectie, intr-o forma modulara. De asemenea, pretul accesibil al componentelor, a facut ca "problema" sursei de tensiune si frecventa variabile sa nu mai reprezinte principalul obstacol in obtinerea sistemelor de actionare variabile cu motoare de c.a., fiind disponibile azi surse care sa furnizeze energie de calitate (continut redus de armonici).

Din punctul de vedere al sistemelor de reglare automata a vitezei, trebuie avuta in vedere o abordare diferita de cea din cazul motoarelor de c.c. In cazul acestora, fluxul si curentul din circuitul indusului sunt decuplate (independente), iar ca urmare a ortogonalitatii dintre cele doua marimi (fluxul de excitatie si curentul rotoric), au putut fi realizate scheme de reglare simple, pe deplin controlabile si cu bune performante dinamice.

In cazul motoarelor de c.a. insa, modelele matematice sunt mai dificile, fiind reprezentate de sisteme de ecuatii complexe, de cele mai multe ori neliniare si cu parametri variabili. Sistemele de reglare trebuie sa controleze tensiunea si frecventa statorice, ce trebuie sa fie corelate intre ele, marimea controlata putand fi viteza rotorului, pozitia acestuia, cuplul electromagnetic, fluxurile statoric, rotoric sau de magnetizare, curentii statoric, rotoric sau de magnetizare sau combinatii ale acestora.

In cazul acestora, datorita interactiunilor dinamice mult mai complexe, fluxul si solenatia nemaifiind stationare, ci miscandu-se cu diferite viteze, nu este posibila simpla transpunere a schemelor de reglare clasice, cunoscute de la actionarile cu motoare de c.c.

Dificultatea consta si in faptul ca, spre exemplu in cazul motorului asincron cu rotor in scurtcircuit alimentat de la convertor static, acesta din urma trebuie sa-i asigure motorului atat puterea activa cat si puterea reactiva necesara magnetizarii, neexistand surse externe de excitatie ca in cazul motorului sincron, de exemplu. Deci ambii curenti, de excitatie (reactiv) si generator de cuplu (activ) trebuie sa coexiste in infasurarile statorice ale motorului asincron.

Problema a putut fi depasita prin asa-numita comanda vectoriala, utilizand fazorii spatiali pentru modelarea motoarelor de c.a., structura complexa a acestora putand fi transformata astfel intr-una similara motorului de c.c., caracterizata de ortogonalitatea dintre flux si curent.

Reglajul vectorial consta in primul rand in obtinerea unui model matematic al masinilor de c.a. adecvat, astfel incat controlul diferitelor comenzi sa fie facut in asa fel incat sa fie mentinuta ortogonalitatea dintre flux si curentul activ, in consecinta, cuplul electromagnetic dezvoltat de motor are in permanenta o expresie de produs scalar, similara cuplului dezvoltat de motoarele de c.c. cu excitatie separata si deci valoare maxima.

Aceasta este ideea pe care se bazeaza toate sistemele de reglare vectoriala a vitezei motoarelor de c.a.: de a controla diferitele comenzi astfel incat sa fie mentinuta ortogonalitatea intre fazorii fluxului si curentului activ, cuplul electromagnetic dezvoltat de motor avand astfel o expresie similara celei a cuplului dezvoltat de motorul de c.c. cu excitatie separata, respectiv de produs scalar intre flux si curent.

Expresia cuplului electromagnetic poate fi scrisa in diferite sisteme de referinta, solidare cu fluxul statoric, rotoric sau de magnetizare, ea ramanand similara celei a cuplului motorului de c.c. Acest fapt sugereaza posibilitatea reglarii cuplului motorului prin decuplarea componentelor activa si reactiva ale curentilor statorici, generatoare de cuplu, respectiv de flux.

Implementarea comenzii vectoriale, orientate dupa fluxul statoric, rotoric sau de magnetizare, necesita informatii despre fluxurile respective. Comanda se realizeaza intr-un sistem de referinta solidar cu fluxul respectiv, curentii statorici ortogonali fiind obtinuti in sistemul de referinta corespunzator. Astfel, componentele curentului statoric, in acel sistem de coordonate, sunt similare curentilor de excitatie si respectiv din indus, din cazul motorului de c.c. Obtinerea valorilor curentilor statorici in sistemul fix de coordonate, solidar cu statorul (pentru elaborarea comenzii corespunzatoare a invertorului) se face printr-o simpla transformare de coordonate, in functie de sistemul in care a fost elaborata comanda.

Exista variante de scheme de reglare pentru fiecare tip de comanda. Datorita insa avantajelor practice de implementare, cel mai frecvent se utilizeaza comanda cu orientare dupa campul rotoric [1], ], ], ], ], ].

Comanda cu orientare dupa campul statoric [8], ], ], ], ], ] prezinta dezavantajul necesitatii masurarii tensiunilor statorice, care in cazul invertoarelor cu modulatie in durata (PWM), generalizate in practica datorita avantajelor pe care le prezinta, sunt foarte puternic distorsionate si dificil de masurat.

Literatura semnaleaza de asemenea variante de comanda cu orientare dupa fluxul de magnetizare ], ].

Uneori pot fi utilizate combinat diferite modele de flux ale masinii, utilizandu-se si un model adaptiv al rotorului [1], ], ].

Varietatea comenzilor vectoriale este foarte mare, indiferent de tipul orientarii, existand metode directe, cu masurarea fluxului si indirecte, in care determinarea pozitiei si amplitudinii fluxului se face pe baza marimilor masurate (curenti, tensiuni).

Metodele directe (comanda cu reactie de flux) au reprezentat prima abordare a comenzii vectoriale si utilizeaza masurarea directa a marimilor specifice (cu sonde Hall, inductivitati de masura, masura din infasurarile statorice), dar au fost abandonate datorita dezavantajelor pe care le prezinta:

sondele Hall, montate ortogonal, masoara semnale puternic distorsionate datorita efectelor crestaturilor rotorice si sunt solicitate mecanic si termic. Metoda necesita motoare de constructie speciala ], ];

bobinele de masura elimina efectele crestaturilor rotorice prin mediere geometrica, dar sunt necesare motoare speciale. Totusi cel mai mare dezavantaj il constituie faptul ca bobinele de masura sesizeaza variatii ale fluxului, ceea ce determina o comportare slaba la frecvente mici;

utilizarea infasurarilor statorice ca bobine de masura elimina necesitatea unor motoare speciale, dar acest avantaj este diminuat de necesitatea compensarii caderii de tensiune rezistive inainte de integrare. Cum rezistenta statorica se modifica semnificativ in functie de temperatura, acest fapt limiteaza viteza inferioara realizabila ].

Metodele indirecte de comanda se bazeaza pe determinarea amplitudinii si pozitiei fazorului fluxului din asa numitul model al fluxului. Aceste metode, in pofida sensibilitatii la variatia parametrilor masinii si a necesitatii traductorului de viteza precis si scump, are cea mai mare aplicabilitate datorita faptului ca nu necesita traductoare de camp deci motoare speciale) si celorlalte avantaje majore.

Avantajele se refera la faptul ca sunt necesare semnale masurate de reactie pentru doi curenti statorici si viteza, celelalte semnale de reactie fiind calculate in timp real din modelul 'in curent' [16], ] al motorului. Aceasta inseamna ca parametrii statorului nu afecteaza modelul, deoarece curentii statorici sunt masurati.

In cazul motorului asincron, singurul parametru important al masinii ce se poate modifica este constanta de timp rotorica T_r  care creste in domeniul de viteza mare (scaderea fluxului), datorita desaturatiei masinii si scade cu cresterea rezistentei, la temperaturi mari. Gradul de saturatie al masinii se poate modifica rapid, dar se poate compensa bine in bucla deschisa, utilizand masuratori realizate la punerea la punct a actionarii, iar efectul temperaturii este lent si poate fi corectat prin adaptare in timp real ], ], ].

Din acest motiv, vor fi prezentate cu preponderenta metodele indirecte de reglare vectoriala a vitezei motoarelor de c.a. Aceasta deoarece, desi aceste metode necesita calcularea marimilor de reactie, existenta microprocesoarelor (ieftine si competitive), dar mai ales a procesoarelor digitale de semnal (DSP), ce permit implementarea functiilor de control complexe specifice motoarelor de c.a., utilizand mijloace software in locul celor hardware, scumpe, au permis conceperea unor scheme de comanda din ce in ce mai sofisticate, dar cu performante deosebite.

Toate tipurile de comanda cu orientare dupa camp prezinta variante diferite in functie de tipul invertorului ce alimenteaza motorul:

invertor de tensiune;

invertor de curent;

cicloconvertor (curentii sunt putin distorsionati).

Marea diversitate a variantelor de comanda cu orientare dupa camp este ilustrata in fig.1.1.

Se vor evidentia pe parcursul lucrarii avantajele si dezavantajele tipice ale fiecarui tip de comanda.

In concluzie, se poate aprecia ca datorita, pe de o parte dezvoltarilor aferente electronicii de putere, iar pe de alta parte abordarii corecte a comenzii motoarelor de c.a., actionarile reglabile cu astfel de motoare pot fi considerate o alternativa economica reala la actionarile reglabile cu motoare de c.c.