Sisteme de conducere a motoarelor sincronecu magneţi permanenţi

Principial, sistemele de control ale motoarelor sincrone cu magneţi permanenţi MSMP se pot clasifica în două mari categorii: sisteme în buclă deschisă şi sisteme autopilotate.

Controlul în buclă deschisă (v. figura 1) presupune comanda externă a frecvenţei de lucru a convertorului, fără ca aceasta să fie influenţată în vreun fel de motor. Pentru această situaţie, motorul sincron cu magneţi permanenţi îşi conservă proprietăţile tipice. Viteza sa poate fi modificată prin variaţia frecvenţei statorice impuse *

sf fiind independentă de sarcină. Maşina este susceptibilă la oscilaţii şi poate ieşi din sincronism.

Fig. 1. Controlul în buclă deschisă a motoarelor sincronecu magneţi permanenţi.

În situaţia sistemelor autopilotate (v. figura 2), frecvenţa de lucru a motorului este controlată chiar de maşină. Acest lucru este posibil prin montarea pe rotorul MSMP a unui traductor de poziţie de tip resolver sau encoder. Pe baza poziţiei măsurate, circuitul de comandă şi control prescrie frecvenţa de lucru necesară maşinii. Faptul că motorul este autopilotat conduce la modificări esenţiale ale caracteristicilor SAE. Astfel, maşina nu mai este susceptibilă la oscilaţii şi nici nu mai există pericolul ieşirii acesteia din sincronism. Caracteristicile sale mecanice sunt similare cu cele ale motorului de c.c.

Fig. 2. Controlul MSMP în regim autopilotat.

Observaţie: În cazul sistemul de control în buclă deschisă se cade peste motorul sincron cu magneţi permanenţi clasic MSMP iar în situaţia sistemelor autopilotate se ajunge la motoarele sincrone cu magneţi permanenţi autopilotate MSMPAT comandate cu curenţi sinusoidali. Cu alte cuvinte, un MSMP poate să funcţioneze în regim autopilotat prin alimentarea fazelor statorului cu un sistem echilibrat trifazat de curenţi care sunt variaţi sinusoidal în funcţie de poziţia rotorului.

Metode de control ale motoarelor sincrone cu magneţi permanenţi

Metodele de control ale motoarelor sincrone cu magneţi permanenţi pot fi clarificate în:

- controlul în buclă deschisă;- controlul în buclă închisă cu următoarele variante: metode de

control vectorial în curent, metode de control vectorial cu orientare după câmp şi metode de control vectorial direct în cuplu şi flux.

1. Controlul în buclă deschisă al motorului sincron cu magneţi permanenţi

În cazul controlului în buclă deschisă, convertorul static de frecvenţă care asigură alimentarea motorului este comandat extern, fără nici o legătură cu maşina. SAE poate fi lipsit de traductoare de poziţie. Sistemul de control (v. figura 3) se bazează pe un algoritm de control tensiune – frecvenţă în buclă deschisă.

Fig. 3. Schema bloc pentru controlul în buclă deschisă.

Se observă că echipamentul de control este similar cu cel folosit în situaţia motoarelor de inducţie.

2. Controlul vectorial în curent al motorului sincron cu magneţi permanenţi

Schema de principiu pentru controlul vectorial în curent al motorului sincron cu magneţi permanenţi este prezentată în figura 4. Mărimile sunt exprimate în unităţi relative.

Această metodă de conducere presupune criterii optimale de prescriere a curentului statoric *

si în vederea obţinerii unui cuplu prescris m*.

Circuitul de forţă conţine convertorul static de frecvenţă, compus dintr-un redresor necomandat, circuitul intermediar şi invertorul PWM realizat cu tranzistoare IGBT şi motorul sincron cu magneţi permanenţi. Pe arborele maşinii sunt plasate traductorul de viteză şi cel de poziţie.

Diferenţa între valoarea impusă a turaţiei *rν şi valoarea măsurată rν

furnizată de traductorul de viteză TV este aplicată la intrarea regulatorului de viteză. La ieşirea acestuia se obţine valoarea prescrisă a cuplului electromagnetic m*. Rezultă totodată şi valoarea prescrisă a curentului statoric întrucât *

sI ~ m* .

Unghiul de sarcină ε se tabelează într-o memorie EPROM în conformitate cu relaţia de legătură ( ) .*

sIε Forma relaţiei depinde de metoda de conducere vectorială care se implementează.

Fig. 4. Sistem de conducere vectorial în curent a motorului sincroncu magneţi permanenţi.

Curenţii prescrişi ale celor trei faze, *sc

*sb

*sa ii,i şi se obţin prin proiecţia

vectorului *si pe cele trei axe, după cum urmează:

,3

2πθsin

,3

2πθsin

,θsin

*

*

*

+⋅=

−⋅=

⋅=

*s

*sc

*s

*sb

*s

*sa

Ii

Ii

Ii

(1)

unde rr* θ,θεθ += fiind poziţia rotorului dată de traductorul de poziţie TP.

Funcţiile sin din (1) sunt mărimi numerice fiind tabelate în memoriile EPROM plasate pe cele trei faze. Înmulţirea celor trei mărimi numerice, conform relaţiilor (1), cu valoarea prescrisă a amplitudinii curentului statoric

*sI care este o mărime analogică, se face în convertoarele numeric analogice

N/A de pe cele trei faze. La ieşirile convertoarelor N/A se obţin mărimile analogice *

sc*sb

*sa ii,i şi care se compară cu mărimile măsurate prin intermediul

traductoarelor de curent aşezate pe cele trei faze, isa, isb, isc. Erorile de curent sc

*scsb

*sbsa

*sa iiii,ii −−− şi constituie mărimi de comandă pentru regulatoarele de

curent PI, implementate pe fiecare fază în tehnica analogică. La ieşirile regulatoarelor se obţin tensiunile de comandă .şi *

c*b

*a uu,u Aceste mărimi, se

compară cu unda triunghiulară de referinţă generându-se astfel semnalele Sa, Sb, Sc pentru comanda comutatoarelor invertorului.

3. Controlul vectorial cu orientare după câmp

Controlul vectorial cu orientare după câmp este o metodă modernă care se aplică cu succes în conducerea maşinilor de c.a., asigurând performanţe dinamice ridicate. La baza controlului vectorial cu orientare după câmp stă conducerea decuplată după două bucle de reglare principale paralele: o buclă de reglare rapidă după cuplu prin curentul *

qsi şi o buclă de reglare mai lentă după fluxul din întrefier ψ prin curentul *

dsi .Structura de conducere vectorială cu orientare după câmpul din

întrefier a unui motor sincron cu magneţi permanenţi este prezentată în figura 5. Mărimile care intervin în schemă sunt exprimate în unităţi relative.

Mărimile de intrare ale sistemului de control sunt curenţii şi tensiunile de pe două faze ale motorului şi poziţia rotorului rθ obţinută de la traductorul de poziţie TP.

Mărimea prescrisă a cuplului electromagnetic m* este obţinută la ieşirea regulatorului de turaţie pe baza erorii de turaţie r

*r νν − , dată de

compensatorul diferenţial. Eroarea de cuplu mm* ˆ− constituie mărimea de intrare în regulatorul de cuplu PI care prescrie componenta *

qsi .

Componenta *dsi se obţine la ieşirea regulatorului de flux PI în baza

erorii de flux ψψ * ˆ− .

Fig. 5. Sistem de conducere vectorială cu orientare după câmpul din întrefier a motoarelor sincrone cu magneţi permanenţi.

Curenţii de referinţă statorici *sc

*sb

*sa i,i,i sunt generaţi prin conectarea în

cascadă a blocurilor transformatoare de coordonate rje θ respectiv de faze abc→α β .Prin compararea curenţilor de referinţă *

sc*sb

*sa i,i,i cu curenţii măsuraţi

scsbsa i,i,i se obţin semnalele de comandă pentru regulatoarele de curent PI de pe fiecare fază. La ieşirea regulatoarelor rezultă tensiunile de comandă

*c

*b

*a u,u,u care se compară cu unda triunghiulară de referinţă obţinându-se în

final semnalele Sa, Sb, Sc care comandă comutatoarele statice ale invertorului PWM (în cazul de faţă tranzistoarele IGBT).

4. Controlul vectorial direct în cuplu şi flux

Controlul vectorial direct în cuplu şi flux CVDCF realizează controlul direct al fluxului statoric şi al cuplului electromagnetic utilizând un tabel al comutaţiilor optime pentru comanda invertorului PWM.

CVDCF combină teoria conducerii vectoriale cu teoria conducerii directe, fiind introdus recent pe piaţa acţionărilor industriale de firma ABB.

Schema bloc de principiu a CVDCF clasic cu motor sincron cu magneţi permanenţi este prezentată în figura 6.

Fig. 6. Schema de principiu a CVDCF clasic cu MSMP.

Funcţionarea schemei, modul de selectare a vectorilor de tensiune precum şi toate considerentele de ordin teoretic prezentate la CVDCF clasic cu motor de inducţie trifazat rămân valabile şi pentru topologia din figura 6.

Pentru motoarele sincrone cu magneţi permanenţi apare o problemă în plus şi anume estimarea poziţiei iniţiale a fluxului magnetului permanent (a axei d). O modalitate simplă de rezolvare a problemei este ca la pornire, invertorul de tensiune să fie comandat cu un vector de tensiune predeterminat fixat, ce se aplică în impulsuri cu durata de câteva milisecunde. Aceasta va avea ca efect aducerea rotorului într-o poziţie cunoscută. Spre exemplu, dacă comanda se face cu 1V (1,0,0) va rezulta 0θ =

.