Che cos’è il controllo dell’indebolimento di campo
L’indebolimento di campo o indebolimento di flusso è una tecnica che consente di aumentare la velocità di un motore elettrico oltre il suo valore nominale con conseguente riduzione della coppia. L’indebolimento di campo è utilizzato per il controllo di motori in applicazioni di automazione e per il controllo di motori di trazione per veicoli elettrici e locomotive al fine di ottenere una maggiore velocità del motore qualora sia accettabile una coppia inferiore.
Il motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) è comunemente utilizzato in queste applicazioni per via della sua alta densità di potenza, alta velocità e rapida risposta dinamica. Tuttavia, la velocità del PMSM è limitata quando la tensione del terminale dello statore raggiunge il limite di output dell’inverter. Pertanto, un PMSM richiede un indebolimento di campo per aumentare la velocità dell’albero oltre il valore nominale di progetto. Un approccio per ottenere una maggiore velocità del motore consiste nel regolare l’elettronica di potenza dell’inverter per manipolare le correnti sugli assi d e q dello statore per contrastare il flusso di traferro magnetico generato dai magneti del rotore.
Il controllo dell’indebolimento di campo comporta la riduzione del flusso risultante sull’asse d, \(\lambda_{d}\), diminuendo l’effetto del collegamento di flusso di traferro risultante associato ai magneti permanenti, \(\lambda_{pm}\). Ciò viene realizzato portando la componente della corrente statorica magnetizzante negativa sull’asse d nel PMSM come mostrato nella Fig. 1 qui sotto.
Fig. 1 Rappresentazione vettoriale del flusso risultante sull’asse d, \(\lambda_{d}\)
La curva caratteristica della velocità di coppia nella Figura 2 mostra che la forza controelettromotrice del motore (tensione dello statore) aumenta in proporzione alla velocità del motore. Questo comportamento si verifica nella regione di coppia costante del PMSM, dove il controllo Field-Oriented (FOC) è un metodo accettato per regolare il motore. Tuttavia, quando la velocità continua ad aumentare, la tensione applicata raggiunge il massimo e la tensione della forza controelettromotrice supera la tensione applicata, impedendo alla velocità del motore di aumentare. Per aumentare la velocità del motore oltre la sua velocità di base, viene utilizzata la modalità di indebolimento di campo pur mantenendo una potenza di output costante, che è il prodotto della coppia e della velocità del motore. Durante l’indebolimento di campo, il motore può ruotare più velocemente alla massima tensione disponibile, con una conseguente riduzione della coppia massima.
Fig. 2 Caratteristiche di coppia e velocità dei PMSM
La Figura 3 illustra l’operazione di controllo dell’indebolimento di campo come l’intersezione dell’ellisse del limite di tensione e il cerchio del limite di corrente sul lato sinistro del piano delle correnti statoriche (id, iq).
Fig. 3 Limite di tensione e corrente di un PMSM
Per comprendere l’indebolimento di campo, le traiettorie dei vettori di corrente possono essere valutate utilizzando traiettorie che delimitano la regione di indebolimento di campo OABC. La traiettoria I lungo OA è la curva della coppia massima per ampere (MTPA), dove MTPA può essere ottenuta manipolando la traiettoria del vettore di corrente in modo che corrisponda alla curva OA. La traiettoria II segue il cerchio del limite di corrente da A a B. Il limite di corrente è definito dai vincoli del bus DC e dell’elettronica di potenza. La traiettoria III rappresenta l’indebolimento profondo di campo lungo BC, la curva della coppia massima per volt (MTPV). Durante l’operazione di MTPV, il motore genera la velocità e la coppia massime consentite all’interno dell’ellisse del vincolo di tensione, che è delimitata dal bus DC. A prescindere dalla risposta transitoria della coppia, le traiettorie di indebolimento di campo ottimizzate o i punti operativi si trovano sempre all’interno dell’area grigia.
La Figura 4 mostra lo schema a blocchi a livello di sistema per il controllo dell’indebolimento di campo di un PMSM in Simulink®. Il loop di controllo esterno della velocità genera un comando di coppia come input per il blocco di controllo dell’indebolimento di campo MTPA. Il loop di corrente interno è composto dalle trasformate di Clarke e Park e da un generatore di vettori spaziali.
Fig. 4 Panoramica del controllo dell’indebolimento di campo di un PMSM
Motor Control Blockset™ fornisce esempi di riferimento che mostrano il controllo dell’indebolimento di campo e la distribuzione della generazione di codice per facilitare l’implementazione del controllo dell’indebolimento di campo con Simulink.
Per saperne di più sulla progettazione e l’implementazione degli algoritmi di controllo motori, fai riferimento a Motor Control Blockset e a Simscape Electrical™.
Esempi e consigli pratici
Riferimenti software
FAQ sul Controllo dell’indebolimento di campo
L'indebolimento di campo è una tecnica che consente di aumentare la velocità di un motore elettrico oltre la sua velocità base a scapito di una riduzione della coppia, agendo sulle correnti statoriche degli assi d e q per ridurre il flusso effettivo nel traferro.
La velocità dei PMSM è limitata dalla tensione di uscita dell'inverter. L'indebolimento di campo è quindi necessario per consentire il funzionamento oltre la velocità base del motore.
L'indebolimento di campo riduce il flusso risultante sull'asse d rendendo negativa la componente della corrente statorica magnetizzante sull'asse d. Questo riduce l'effetto del collegamento di flusso nel traferro associato ai magneti permanenti.
Durante l'indebolimento di campo, il motore può ruotare più velocemente alla massima tensione disponibile mantenendo costante la potenza in uscita, ma a scapito di una riduzione della coppia massima disponibile.
La strategia MTPA (maximum torque per ampere) viene utilizzata al di sotto della velocità base per generare la coppia richiesta con la minima corrente statorica, mentre la strategia MTPV (maximum torque per volt) viene utilizzata in condizioni di indebolimento di campo profondo per generare la massima coppia possibile entro il vincolo di tensione dell'inverter.
Il motore passa alla modalità di indebolimento di campo quando la tensione statorica necessaria per seguire la velocità di riferimento supera la tensione applicata dall'inverter, impedendo ulteriori aumenti di velocità nella regione a coppia costante.
Nel controllo del motore, la corrente statorica è limitata dalla capacità di corrente dell'inverter (cerchio limite di corrente), mentre la tensione statorica è limitata dalla tensione del bus DC (ellisse limite di tensione). Il funzionamento in indebolimento di campo si verifica all'intersezione di questi vincoli.
Sì. Motor Control Blockset fornisce blocchi ottimizzati ed esempi di riferimento per implementare il controllo dell’indebolimento di campo con Simulink. Gli esempi mostrano workflow completi di generazione del codice e deployment per l'hardware embedded supportato.
Vedere anche: Simscape Electrical, Motor Control Blockset, Controllo PID, Progettazione del controllo motori con Simulink, algoritmo MPPT, Controllo motori BLDC, Sistemi di gestione di batterie (BMS), Trasformate di Clarke e Park, Modulazione vettoriale
