Векторное управление

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под "векторным управлением" понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым "пространственным вектором", который вращается с частотой поля двигателя.

Вращающееся магнитное поле

Математический аппарат векторного управления

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом:

Необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d,q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x,y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d,q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, т.е. индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока).

Векторное управление может быть реализовано не только при определении направления и углового положения вектора потокосцепления ротора (система «Transvektor»). Практический интерес представляют аналогичные устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, которые в нашей стране стали именоваться векторными системами. Указанные устройства управления имеют свои особенности. Применение вектора потокосцепления ротора теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АД. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Для векторного управления асинхронным двигателем следует сначала привести его к упрощенной двухполюсной машине, которая имеет две обмотки на статоре и роторе, в соответствии с этим имеется системы координат связанные со статором, ротором и полем.

Варианты режимов работы векторного управления

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее - ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

• использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
• использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (т.е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и тока двигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

• управление двигателем без датчика скорости - при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора
• управление двигателем с датчиком скорости - при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора электродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика , что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

Терминологические нюансы

Поскольку принцип векторного управления был изобретен в ФРГ, то в русскоязычной литературе нередко встречается термин "векторное регулирование", являющийся калькой с немецкого "Vektorregelung". Такое определение нельзя считать ошибочным, однако по установившемся нормам русского технического языка более правильным будет использование именно термина "векторное управление".

Ссылки

• Дартау В.А. Исследование метода векторного управления частотным асинхронным приводом для горных машин и установок. – Автореф. дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук, Л.: РТП ЛГИ, 1974.
• Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. Л.: Энергоатомиздат, 1987, 136 с.
• Алексеев В.В. Блоки систем векторного управления частотно-регулируемым приводом на микромодулях. Л.: ЛДНТП, 1979, 28 с.
• Алексеев В.В. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования. Учебное пособие/ В.В. Алексеев, А.Е. Козярук, Э.А. Загривный. СПГГИ. СПб, 2006. 58 с.
• Преобразователи частоты для векторного управления. Основные сведения. классификация.Выбор
• Векторное управление

См. также

• Магнитное поле
• Теория управления
• Широтно-импульсная модуляция
• Векторная модуляция
• Электрический двигатель
• Электрический привод